Caractéristiques des matériaux
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Objectifs
• Vérifier la capacité d'un
matériau à satisfaire une
propriété donnée ;
• Réaliser un essai et l'interpréter pour mettre en évidence une propriété.
• Réaliser un essai et l'interpréter pour mettre en évidence une propriété.
On a vu en domotique que certains produits demandent une bonne
résistance mécanique (à la traction,
à la compression, à la flexion), une bonne
conductivité électrique ou une bonne
résistance thermique. Comment vérifier leurs
propriétés et certaines caractéristiques
de matériau avec des tests et des essais ?
1. Caractéristiques des matériaux (Rappel
6ème)
a. Conductivité (ou conductibilité)
électrique
La conductivité électrique d’un
matériau permet de déterminer si le
matériau laisse passer ou non le courant
électrique.
b. Oxydabilité
Certains matériaux se détériorent
sous l’effet de l’humidité. Ces
matériaux sont oxydables.
Exemple : le fer rouille sous l’effet de
l’humidité avec le temps.
c. Aptitude à l'usinage ou au formage
o L’usinage
L’usinage est une technique qui consiste à enlever de la matière sur un matériau brut par un procédé de découpage et de perçage afin d’obtenir une forme.
o Le formage
Le formage est une technique qui consiste à mettre en forme un matériau brut soit par :
• un procédé de moulage : le matériau prend la forme d’un moule.
• un procédé de thermopliage : le pliage se fait sous haute température en utilisant par exemple une thermoplieuse.
L’usinage est une technique qui consiste à enlever de la matière sur un matériau brut par un procédé de découpage et de perçage afin d’obtenir une forme.
o Le formage
Le formage est une technique qui consiste à mettre en forme un matériau brut soit par :
• un procédé de moulage : le matériau prend la forme d’un moule.
• un procédé de thermopliage : le pliage se fait sous haute température en utilisant par exemple une thermoplieuse.
2. Les différents types de déformations
(Rappel 5ème)
Tous les matériaux subissent des déformations
de différents types :
Exemples de caractéristiques de quelques matériaux :
Flexion | Compression | Traction | Torsion |
Exemples de caractéristiques de quelques matériaux :
Matériau | Résistance à la flexion | Résistance à la traction | Résistance à la compression |
Plastique | Faible | Très faible | Très faible |
Acier | Très bonne | Très bonne | Très bonne |
Bois | Bonne | Moyenne | Bonne |
3. Vérifier les caractéristiques de
matériaux en domotique
Dans la fiche 4, nous avons vu que les
propriétés des matériaux en domotique
peuvent être définies selon des contraintes
liées au fonctionnement, à l’ergonomie,
à l’esthétisme, à la
sécurité et au développement durable.
Nous allons mettre en place quelques tests pour
vérifier certaines de ces
caractéristiques.
a. Les propriétés d’un
matériau selon des contraintes liées au
fonctionnement et à l’ergonomie
Objet technique : porte
d'un four
Contrainte :
ouvrir la porte du four à l’aide d’une
poignée sans se brûler
Matériau : polyuréthane
Propriété à vérifier : isolation du polyuréthane
Matériel nécessaire : un dispositif de mesure thermique, une source de chaleur, un échantillon de polyuréthane
Les dispositifs de mesure thermique
Les sources de chaleur
Essai : tester l'isolation du polyuréthane
• On chauffe une face du matériau sur laquelle on fixe un thermomètre ou une sonde thermique.
• Avant tout chauffage, on mesure la température T1 (le plus proche de la source de chaleur.)
• Sur l’autre face, on fixe un thermomètre, et on mesure la température T2, toujours avant tout chauffage.
• On chauffe le matériau sur une face, et on attend l’évolution de la température aux points T1 et T2.
• Si la température T2 est beaucoup plus élevée que la température T1, c'est que le polyuréthane n'isole pas la chaleur.
• On peut observer l’évolution grâce à une caméra thermique.
Matériau : polyuréthane
Propriété à vérifier : isolation du polyuréthane
Matériel nécessaire : un dispositif de mesure thermique, une source de chaleur, un échantillon de polyuréthane
Les dispositifs de mesure thermique
Sonde thermique numérique Étendue de mesure de -25°C à +125°C Résolution ±0,1°C Environ 50 euros. |
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Bandes à cristaux liquides
thermochromes adhésif La couleur des repères imprimés change en fonction de la température. Chaque repère imprimé a sa propre température de changement de couleur. L’indicateur 7 niveaux 0°C à 30°C de 5° C en 5° C. Environ 6 euros |
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Thermomètre numérique Plage de mesure - 50°C à + 70°C ; Précision 0,1° , Sélection °Fahrenheit /°Celsius. Environ 30 euros |
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Caméra thermique Permet de visualiser les différences de température Prix excessif |
Les sources de chaleur
Bec électrique Le bec électrique est un appareil peut être utilisé en cours de physique et chimie pour produire de la chaleur grâce à une résistance chauffante.
Remarque : À manipuler en compagnie
d’un adulte.
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Feu (briquet, allumettes...)
Remarque : Dangereux, risque d'incendie
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Essai : tester l'isolation du polyuréthane
• On chauffe une face du matériau sur laquelle on fixe un thermomètre ou une sonde thermique.
• Avant tout chauffage, on mesure la température T1 (le plus proche de la source de chaleur.)
• Sur l’autre face, on fixe un thermomètre, et on mesure la température T2, toujours avant tout chauffage.
• On chauffe le matériau sur une face, et on attend l’évolution de la température aux points T1 et T2.
• Si la température T2 est beaucoup plus élevée que la température T1, c'est que le polyuréthane n'isole pas la chaleur.
• On peut observer l’évolution grâce à une caméra thermique.
b. Les propriétés d’un
matériau selon des contraintes liées au
fonctionnement et à la sécurité
Objet technique :
câbles électriques
Contrainte :
– Conduire l’électricité
grâce à un câble métallique
– Toucher la prise en protégeant l’utilisateur d’une électrocution
Matériau :
– conducteur : cuivre ;
– isolant : P.V.C., polyéthylène, caoutchouc, silicone,...
Propriétés à vérifier : isolation électrique ou conductivité électrique (selon le matériel testé)
Matériel nécessaire : un dispositif de mesure électrique, des câbles des piles, une ampoule, plusieurs échantillons plastiques et du cuivre.
Essai : tester la conductivité électrique du cuivre et du P.V.C
On peut utiliser un multimètre pour tester la conductivité électrique, si le matériel n’est pas disponible. Une pile, une ampoule, des câbles et des pinces crocodiles* permettent aussi bien de tester la conductivité électrique d’un matériau.
Si l’ampoule s’allume, l’échantillon testé permet de conduire l’électricité, c'est le cas du cuivre.
Si l'ampoule ne s'allume pas et que ce n'est pas un défaut de l'ampoule ni de la pile, l'échantillon testé est un isolant électrique. Il n'est pas conducteur d'électricité. C'est le cas du P.V.C.
– Toucher la prise en protégeant l’utilisateur d’une électrocution
Matériau :
– conducteur : cuivre ;
– isolant : P.V.C., polyéthylène, caoutchouc, silicone,...
Propriétés à vérifier : isolation électrique ou conductivité électrique (selon le matériel testé)
Matériel nécessaire : un dispositif de mesure électrique, des câbles des piles, une ampoule, plusieurs échantillons plastiques et du cuivre.
Essai : tester la conductivité électrique du cuivre et du P.V.C
On peut utiliser un multimètre pour tester la conductivité électrique, si le matériel n’est pas disponible. Une pile, une ampoule, des câbles et des pinces crocodiles* permettent aussi bien de tester la conductivité électrique d’un matériau.
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Pinces crocodile |
Si l’ampoule s’allume, l’échantillon testé permet de conduire l’électricité, c'est le cas du cuivre.
Si l'ampoule ne s'allume pas et que ce n'est pas un défaut de l'ampoule ni de la pile, l'échantillon testé est un isolant électrique. Il n'est pas conducteur d'électricité. C'est le cas du P.V.C.
c. Conclusion
Il existe plusieurs méthodes pour vérifier
les caractéristiques des matériaux. Il faut
prendre en compte la contrainte, la
propriété à vérifier,
définir le matériel nécessaire et
disponible en classe afin de mettre en place un essai. On
aurait pu réaliser d’autres essais simples
pour interpréter quelques
caractéristiques.
Exemple :
Caractéristiques à vérifier | Matériel nécessaire | Exemples |
Aptitude au façonnage | Des machines de découpe et d’enlèvement de matière | Perceuse, ciseaux, cutter, … |
Aptitude au thermoformage | Une source de chaleur | Thermoplieuse |
Peu de résistance à la compression ou à la flexion |
Un outil de mesure de dimension Des outils qui simulent une force |
Règle, réglet Charges de différentes masses |
L'essentiel
- Caractéristiques des matériaux : conductivité électrique, oxydabilité, aptitude à l'usinage et au formage, etc.
- Types de déformations : flexion, compression, traction, torsion
- Il existe plusieurs méthodes afin de tester les caractéristiques d'un matériau. Il faut prendre en compte la contrainte, la propriété à vérifier, définir le matériel nécessaire et disponible en classe afin de mettre et mettre en place un essai.
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