Fiche de révision : Céramiques et polymères

📋 Plan du Cours

1. Classes et science des matériaux
2. Liaisons et arrangements atomiques
3. Alliages et structures métalliques
4. Propriétés et comportements des métaux
5. Céramiques et verres
6. Céramiques techniques performantes
7. Ciments, plâtres et composites céramiques
8. Structure des céramiques
9. Propriétés et frittage céramiques
10. Structure et transitions des polymères
11. Familles de polymères
12. Propriétés des polymères
13. Mise en forme des polymères

📖 1. Classes et science des matériaux

🔑 Notions clés & Définitions

• Matériau : Solide utilisé par l’homme pour fabriquer des objets.

★ À maîtriser

• La formation vise à choisir le matériau, l’assemblage de matériaux ou le traitement de surface le plus adapté à un objectif donné.

📌 Les trois classes principales sont les matériaux métalliques, les matériaux organiques et les matériaux minéraux, auxquelles s’ajoutent les composites, qui associent de manière structurée à fine échelle des matériaux différents, éventuellement issus de classes différentes.

• La science des matériaux étudie les relations entre la nature des liaisons chimiques, l’arrangement atomique, la microstructure et les propriétés macroscopiques, tandis que le génie des matériaux traite des procédés de fabrication, de transformation et de mise en forme.

Compléments

• Les matériaux organiques comprennent les matériaux d’origine biologique et les polymères de synthèse comportant des liaisons covalentes et des liaisons faibles.

• Les matériaux minéraux comprennent les roches, les oxydes, les verres minéraux et les céramiques, qui comportent des liaisons ioniques ou covalentes.

📖 2. Liaisons et arrangements atomiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Liaison interatomique : Force qui retient les atomes les uns aux autres et agit comme un petit ressort dans un solide.

★ À maîtriser

• Les propriétés des matériaux dépendent de la nature des liaisons chimiques, de l’arrangement atomique et de la microstructure.

📌 Une liaison ionique résulte d’une interaction électrostatique entre deux ions lorsque la différence d’électronégativité est supérieure à 1,6 ; elle est isotrope et prédomine dans les céramiques.

• Une liaison covalente met en commun des électrons de la couche extérieure pour atteindre huit électrons ; elle est orientée, et elle est purement covalente lorsque la différence d’électronégativité est nulle.

• Une liaison métallique assure la cohésion des atomes d’un métal grâce à des électrons libres délocalisés sur toute la pièce métallique, et son caractère est isotrope.

📌 Un empilement cristallin est une structure régulière répétée en trois dimensions, assimilable à un empilement compact de sphères dures, tandis qu’un empilement non cristallin ne présente pas d’ordre à grande distance.

Compléments

• Les propriétés se répartissent en trois catégories :
  • propriétés mécaniques, qui décrivent le comportement sous l’action de forces
  • propriétés physiques, qui décrivent le comportement sous l’action de la température
  • propriétés chimiques, qui décrivent le comportement dans un environnement réactif

📌 Les liaisons secondaires comprennent les interactions de Van der Waals, de faible intensité entre atomes, molécules ou molécule et cristal (8–31 kJ/mole), et les liaisons hydrogène impliquant un atome d’hydrogène (50 kJ/mole).

📌 Un monocristal possède un seul grain ou une même structure cristalline dans tout son volume, tandis qu’un matériau polycristallin est constitué de monocristaux séparés par des joints de grains.

💡 Astuce mémo

Imaginez les atomes reliés par de petits ressorts, puis rangés en empilements.

📖 3. Alliages et structures métalliques

🔑 Notions clés & Définitions

• Alliage : Combinaison d’un ou plusieurs métaux, qui peut aussi contenir des éléments non métalliques tels que le carbone, le silicium ou le bore.
• Alliage métallique : Un alliage métallique est défini par sa constitution — composition globale, nombre de phases et composition des phases — et par sa géométrie, c’est-à-dire la forme, la taille et l’espacement des phases dans la microstructure.

★ À maîtriser

• L’alliage Fe–C est classé comme acier lorsque la teneur en carbone est inférieure à 2 % en masse et comme fonte lorsqu’elle est supérieure à 2 % en masse.

📌 Un alliage forme une seule phase si ses éléments sont solubles entre eux, et plusieurs phases si leur solubilité est limitée.

Compléments

• Les alliages métalliques sont le plus souvent des solides cristallins de structure cubique à faces centrées, hexagonale compacte ou cubique centrée.

• Le diagramme Sn–Pb présente trois phases :

  • le liquide Pb–Sn
  • la solution solide d’étain dans le plomb (Pb)
  • la solution solide de plomb dans l’étain (Sn)

• Les diagrammes de phases permettent de connaître les phases à l’équilibre.

📖 4. Propriétés et comportements des métaux

★ À maîtriser

• Dans les métaux, la présence de dislocations nombreuses et mobiles permet une déformation plastique, qui entraîne un changement permanent de la forme du matériau.

Compléments

• Le module d’Young des métaux se mesure dans le domaine élastique et se situe approximativement entre 100 et 200 GPa.

• La mobilité des électrons confère aux métaux une grande conductivité électrique, pouvant atteindre 10^8 Ω⁻¹·cm⁻¹.

• Les métaux sont de bons conducteurs thermiques, réfléchissants et sensibles à la corrosion.

• Le titane Ti-6Al4V est léger, très solide, résistant à la corrosion, et possède une température de fusion élevée et une bonne tenue au fluage ; il est utilisé en aéronautique et pour des implants chirurgicaux.

📖 5. Céramiques et verres

🔑 Notions clés & Définitions

• Céramique : Solide non métallique et inorganique, composé d’éléments non métalliques ou d’éléments non métalliques associés à des éléments métalliques.

★ À maîtriser

• Un matériau peut être obtenu à l’état amorphe s’il est refroidi assez rapidement jusqu’à une température suffisamment basse pour traverser sans cristallisation la gamme comprise entre la température de fusion Tf et la température de transition vitreuse Tg. - TURNBULL

• Pour une température inférieure à Tg, la viscosité empêche les réarrangements structuraux ; à Tg, les mouvements microscopiques deviennent impossibles et le verre acquiert sa rigidité.

📌 La porcelaine se distingue des terres cuites, faïences et grès par sa blancheur, sa translucidité, son imperméabilité et sa dureté.

• La pâte de porcelaine contient :
  • 55 % de kaolin
  • 20 % de quartz
  • 25 % de feldspath

Compléments

• Les sous-groupes présentés sont : les verres minéraux, les céramiques traditionnelles (terres cuites), les céramiques techniques à hautes performances, le ciment, le plâtre et le béton, les céramiques naturelles, les composites à base de céramiques

• Les verres minéraux sont basés sur la silice (SiO₂), dont les unités structurales sont des tétraèdres SiO₄⁴⁻, et sont amorphes.

• Les oxydes B₂O₃, Na₂O, K₂O, CaO et PbO peuvent modifier le réseau du verre et sa viscosité.

📌 L’état cristallisé est thermodynamiquement stable, tandis qu’un refroidissement rapide ou une viscosité trop grande peut produire un état surfondu sans discontinuité du volume spécifique ni de l’enthalpie.

📌 La température de ramollissement du verre est inférieure à sa température de mise en forme, elle-même inférieure à sa température de fusion : T° ramollissement < T° mise en forme < T°f.

• Les céramiques traditionnelles comprennent des argiles, aluminosilicates hydratés de formule Al₂Si₂O₅(OH)₄, dont les feuillets sont accolés par des films d’eau.

• Lors de la cuisson des céramiques traditionnelles, les feldspaths agissent comme fondants et produisent une phase vitreuse à bas point de fusion qui cimente les particules de quartz et d’argile.

• Les terres cuites, faïences, grès et porcelaines présentent respectivement des porosités de 15–30 %, 10–15 %, 0,5–3 % et 0–2 %.

• La conductivité thermique des céramiques indiquées varie de 0,6 à 3 W·m⁻¹·K⁻¹ et leur coefficient de dilatation thermique de 5 à 8,8 MK⁻¹.

• Le kaolin est une argile plastique très pure et très blanche, principalement constituée de kaolinite.

• Dans la porcelaine, le quartz est une matière dégraissante qui réduit la plasticité et le retrait au séchage, favorisant la tenue des pièces au feu.

💡 Astuce mémo

Un refroidissement rapide empêche la cristallisation → le verre se forme.

📖 6. Céramiques techniques performantes

★ À maîtriser

• Les céramiques techniques à hautes performances offrent une forte résistance à l’usure, une inertie chimique et des températures de fusion supérieures à celles des métaux.

Compléments

• Les céramiques techniques sont utilisées pour des applications :

  • réfractaires
  • mécaniques
  • thermomécaniques
  • électriques
  • chimiques
  • biomédicales

• La stéréolithographie céramique associe une pâte composée de résine photosensible et de céramique, puis un frittage.

• Le tableau des céramiques techniques indique des masses volumiques allant de 2,1 g/cm³ pour le BN à 15,6 g/cm³ pour le WC.

📖 7. Ciments, plâtres et composites céramiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Ciment : Céramique complexe à phases multiples, constituée de silicates et d’aluminates de calcium issus de la combinaison de CaO, SiO₂ et Al₂O₃.

★ À maîtriser

• Le ciment acquiert sa résistance mécanique par une réaction chimique exothermique avec l’eau, dont les produits insolubles assurent la cohésion grâce à des aiguilles enchevêtrées.

Compléments

• Les ciments sont issus de la calcination à 1500 °C de calcaire et d’argile.

• Le plâtre est obtenu par déshydratation à chaud du gypse CaSO₄·H₂O.

• Le mélange d’eau et de poudre de gypse déshydraté déclenche la réaction inverse de cristallisation du gypse et produit un solide.

• Les céramiques naturelles comprennent :

  • les roches
  • les minéraux
  • la glace

• Les composites à base de céramiques comprennent : les plastiques renforcés de fibres de verre ou de carbone, les cermets WC-Co, l’os associant hydroxyapatite et collagène, les composites SiC-SiC

📖 8. Structure des céramiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Motif silicaté : Le tétraèdre SiO₄⁴⁻.

★ À maîtriser

📌 Les céramiques peuvent présenter une structure cristalline ou amorphe et des microstructures plus complexes que celles des métaux.

• La microstructure d’une céramique cristalline comprend :
  • des grains
  • des joints de grains
  • des pores résiduels
  • des microfissures
  • des particules ou grains d’une seconde phase

Compléments

• Les liaisons des céramiques ont un caractère iono-covalent.

• Les pores résiduels d’une céramique sont dus à son élaboration, tandis que les microfissures résultent de contraintes thermiques ou mécaniques.

📖 9. Propriétés et frittage céramiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Frittage : Le soudage progressif des grains de poudre sous l’effet de la température et de la pression.

★ À maîtriser

• Les céramiques ont des modules d’Young de 200 à 450 GPa, des masses volumiques faibles et un rapport E/ρ attractif.

• Les céramiques comptent parmi les matériaux les plus durs, mais sont intrinsèquement fragiles en raison de la faible mobilité des dislocations liée à leurs liaisons et de la présence de microfissures et de porosités.

• Le frittage comprend le compactage de la poudre avec un liant pour former des agglomérés, puis une cuisson à une température supérieure à 0,6 fois la température de fusion, qui élimine le liant et réduit progressivement les porosités par diffusion volumique et surfacique.

Compléments

📐 Formule - La masse volumique d’une céramique poreuse vérifie $\rho=\rho_0(1-P)$, où P est la fraction volumique de porosité.

📐 Formule - La relation de McKenzie donne le module d’Young d’une céramique poreuse : $E=E_0(1-1{,}9P+0{,}9P^2)$.

• Les céramiques présentent généralement une faible conductivité électrique et thermique, une bonne inertie chimique et une bonne résistance à la corrosion, tandis que leur conductivité électrique peut varier d’isolante à supraconductrice.

📌 La résistance aux chocs thermiques est bonne pour Si₃N₄ et mauvaise pour le verre.

• Le frittage est facilité par des ajouts qui forment une phase liquide aux joints de grains ou par le pressage isostatique à chaud (CIC).

📖 10. Structure et transitions des polymères

🔑 Notions clés & Définitions

• Polymère : Constitué de longues chaînes dont les atomes sont reliés par des liaisons covalentes et forment un squelette d’atomes de carbone.
• Température de transition vitreuse : La température au-dessous de laquelle les molécules ont une faible mobilité relative dans les phases amorphes ou partiellement amorphes.

★ À maîtriser

📌 Les chaînes polymères s’assemblent en matériaux amorphes ou semi-cristallins, jamais entièrement cristallins, et sont reliées par des liaisons secondaires ou des ponts covalents.

Compléments

• Les polymères peuvent être d’origine naturelle, végétale ou animale, comme l’ADN, la cellulose, la laine et l’amidon, ou synthétique, avec une matière première principalement issue du pétrole.

• Les matières polymères comprennent :

  • les plastiques
  • les résines
  • les vernis
  • les colles
  • les peintures
  • les élastomères

• Un polymère est nommé en ajoutant « poly » au nom du monomère qui le constitue, comme dans éthylène et polyéthylène.

• Les structures polymères peuvent être linéaires, ramifiées ou tridimensionnelles; la réticulation distingue les thermoplastiques des thermodurcissables et des élastomères.

📌 À une température inférieure à Tv, les thermoplastiques deviennent rigides et cassants, tandis qu’au-dessus de Tv les liaisons secondaires s’affaiblissent et le polymère devient souple et déformable; ce comportement au-dessus de Tv ne s’applique pas aux thermodurcissables.

📖 11. Familles de polymères

🔑 Notions clés & Définitions

• Thermoplastique : Polymère linéaire ou ramifié sans liaisons covalentes entre chaînes, dont les chaînes entremêlées sont liées par des liaisons secondaires.
• Thermodurcissable : Polymère réticulé formé par le durcissement irréversible d’une résine mélangée à un durcisseur et chauffée.
• Élastomère : Polymère amorphe presque linéaire, très peu réticulé, avec des ponts covalents occasionnels et une température de transition vitreuse inférieure à 0 °C.

★ À maîtriser

• Au-dessus de Tv, les liaisons secondaires entre chaînes thermoplastiques se dissocient, autorisant leur mouvement relatif et un ramollissement réversible à la chaleur.

Compléments

📌 Les thermoplastiques peuvent être amorphes ou partiellement cristallisés; les polymères semi-cristallins présentent une transition vitreuse réversible ainsi que des températures de cristallisation et de fusion.

• Dans un thermodurcissable, les liaisons covalentes résistent à l’agitation thermique jusqu’à la température de pyrolyse ou de combustion; le matériau ne présente pas de Tg marquée ni de Tf et ne peut être mis en forme à chaud ni recyclé.

• Les élastomères sont de 10 à 100 fois moins réticulés que les thermodurcissables et peuvent présenter une déformabilité supérieure à 1000 %.

• Dans les élastomères, les ponts covalents jouent le rôle de mémoire du matériau.

📖 12. Propriétés des polymères

★ À maîtriser

• Le comportement mécanique dépend de la famille de polymère : les thermoplastiques sont viscoélastiques, la majorité des polymères amorphes sont fragiles, les semi-cristallins sont ductiles entre Tg et Tf, les élastomères sont élastiques

Compléments

• Les propriétés mécaniques des polymères varient selon les procédés d’élaboration et sont généralement beaucoup plus faibles que celles des matériaux à liaisons fortes en raison des liaisons secondaires.

• Les polymères sont généralement des isolants électriques et thermiques et présentent un faible module d’Young.

📖 13. Mise en forme des polymères

📝 Points essentiels

• La fabrication des thermoplastiques peut produire des profilés, fils et tuyaux par extrusion, des films, gaines et plaques par extrusion-gonflage ou calandrage, et des pièces de forme par frittage, rotomoulage, extrusion-soufflage, injection ou injection-soufflage.

• Les thermoplastiques peuvent être mis en forme par estampage ou thermoformage, puis finis par usinage ou ébavurage et assemblés par emboîtement, collage, soudage ou vissage.

• Les thermodurcissables et les élastomères sont préparés à partir de poudre partiellement polymérisée, de granulés contenant polymère(s), charge(s) et colorant, ou d’un liquide de résine et de catalyseur ou de composants réactifs.

• Les thermodurcissables et les élastomères sont mis en forme par compression, compression-transfert, moulage par coulée ou injection, puis étuvés pour achever la polymérisation.

• Le recyclage des thermoplastiques comprend la récupération, le tri sélectif, le rebroyage et la réincorporation, ou la valorisation énergétique.

• Le recyclage des thermodurcissables et des élastomères comprend la récupération, le tri sélectif, le broyage des charges et la valorisation énergétique.