Les Matériaux : Structure, Familles et Propriétés

Structure des Matériaux

Elle dépend essentiellement de l'arrangement des atomes, ions ou molécules qui constituent un élément solide, ainsi que des forces de liaison entre eux. Les matériaux qui possèdent une structure cristalline sont appelés matériaux solides ou cristallins, comme certains métaux et céramiques.

Familles de Matériaux

Les familles de matériaux sont caractérisées et nommées en fonction des propriétés de chaque matériau et du rôle de ses composants. Ces familles incluent :

• Métaux
• Céramiques
• Polymères
• Matériaux Électroniques

Le critère de différenciation principal est la similitude de leurs propriétés physiques spécifiques. Ces familles présentent des propriétés telles que les propriétés mécaniques, la conductivité électrique, les propriétés magnétiques, thermiques, nucléaires, la résistance à la corrosion et les propriétés optiques.

Nature des Composants

Métaux

Les métaux sont des composés inorganiques, souvent des oxydes ou des sels métalliques. Leurs caractéristiques incluent une structure cristalline spécifique à chaque métal, liée aux liaisons interatomiques. Ils présentent une résistance acceptable à température moyenne, sont de bons conducteurs d'électricité et de chaleur, et sont généralement résistants et déformables. À des températures élevées, ils présentent de fortes densités. Exemples : acier, aluminium, cuivre, fer, titane, etc.

Céramiques

Les céramiques sont des composés inorganiques, composés d'oxydes et de sels métalliques, à l'exclusion des métaux purs et précieux. Ils ont une liaison ionique, formant une structure cristalline spécifique aux céramiques. Ils sont de mauvais conducteurs de chaleur, sont fragiles et peu déformables. Ils ont une haute résistance aux hautes températures et des densités moyennes. Exemples : brique, tuile, porcelaine, verre, etc.

Polymères

Les polymères sont des composés organiques constitués de très longues chaînes linéaires ou de réseaux, basés sur le carbone, l'hydrogène, l'oxygène ou d'autres non-métaux. Ils ont une liaison covalente, résistent aux basses températures, sont de mauvais conducteurs d'électricité et de chaleur, et sont de faible densité (ex: polyéthylène, nylon, polyester). Ils peuvent présenter une fragilité, mais aussi être tenaces (plastiques, etc.).

Matériaux Électroniques

Les matériaux électroniques sont des composés inorganiques à base de silicium et de germanium. Ils ont une liaison covalente et sont constitués d'une structure cristalline de type métallique. Ce sont des semi-conducteurs dont la conductivité est conditionnée, utilisés dans des composants comme les diodes, les puces et les thyristors.

Matériaux Composites

Ce sont des matériaux composés d'une ou plusieurs matières, dont le but principal est d'améliorer les propriétés des matériaux de base, en compensant les faiblesses de certains et en renforçant les atouts d'autres. Cela peut se faire en modifiant leur structure. Par exemple, le béton armé est renforcé par une matrice de béton et un métal en chaîne, ce qui lui confère une meilleure résistance à la traction. Ce renfort est parfois appelé le « point de chaînette ».

Familles et Propriétés Énergétiques

Chaque matériau est utilisé pour stocker ou transmettre des variables qui définissent différentes formes d'énergie : mécanique, électrique, magnétique, chimique, thermique, ondulatoire, etc. Par exemple, l'énergie mécanique est définie par les variables de force et de déplacement. Les exigences liées à cette énergie impliquent des propriétés physiques ou chimiques spécifiques, qui servent de base à l'analyse et à la classification des matériaux selon le type d'énergie qu'ils sont destinés à gérer.

Propriétés Spécifiques des Matériaux

Propriétés Mécaniques

Elles doivent permettre aux matériaux de transmettre des efforts liés à l'énergie mécanique en supportant les mouvements nécessaires, ce qui implique de supporter des contraintes statiques et dynamiques. Elles sont identifiées dans les applications mécaniques, notamment celles impliquant des techniques de déformation plastique, et sont pertinentes pour des températures basses, moyennes et élevées.

Propriétés Thermiques

Elles ont deux fonctions principales : le stockage d'énergie thermique et sa transmission. Elles sont définies par l'interaction entre la capacité thermique et la température massique. Le transfert d'énergie thermique se fait par l'interaction du coefficient de transmission (k), qui caractérise le matériau, et de la température.

Propriétés Électriques

Les propriétés électriques concernent l'interaction des matériaux avec les courants électriques, les champs électriques et les différences de potentiel. Les matériaux doivent permettre le passage des forces du champ électrique. Les applications sont très diverses et varient selon la permittivité du matériau, qui s'explique par la relation inverse entre courant et tension.