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Les matériaux

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Objectifs

Comprendre qu’un matériau est choisi en fonction de nombreux critères.
Connaitre les grandes familles de matériaux.
Découvrir les caractéristiques principales de certains matériaux.

Points clés

Il existe une grande variété de matériaux, qui ont des propriétés différentes (masse volumique, résistivité, conductivité thermique, résistance à la corrosion, etc.). Il faut donc réaliser un compromis pour choisir un matériau.
Chaque étape du cycle de vie a un impact environnemental (déforestation, émissions de gaz à effet de serre, etc.), quel que soit le matériau choisi. Il faut donc connaitre ces impacts pour pouvoir les limiter.

1. Les critères de choix d'un matériau

Choisir un matériau pour la réalisation d’une pièce ou des différentes parties d’un objet est le résultat de compromis.

Plusieurs critères peuvent être pris en compte pour effectuer ce choix.
Voici quelques exemples de critères.

Les caractéristiques mécaniques : masse volumique, dureté, limite élastique, résilience, etc.
Les caractéristiques physico-chimiques : comportement à la corrosion, vieillissement.
Les caractéristiques de mise en œuvre : usinabilité, soudabilité, trempabilité, etc.
Les caractéristiques économiques : prix, disponibilité, expérience industrielle, etc.
L’impact environnemental : toxicité, empreinte carbone, recyclabilité, etc.

Pour comparer différents matériaux, on utilise parfois un diagramme qui fait apparaitre les indices de performance relatifs des matériaux, avec une échelle de notation de 0 à 5 du centre vers l’extérieur du diagramme.

2. Les types de matériaux

a. Les métaux

Les métaux sont issus de l’extraction de minerais. Ils ne sont généralement pas utilisés à l’état pur, mais mélangés à d’autres composants afin d’améliorer leurs caractéristiques (résistance à la corrosion, résistance aux chocs, etc.). Ils sont alors appelés « alliages ».

Exemples d’alliages fréquemment utilisés

fonte = fer + carbone (plus de 2,1 % de carbone)
acier = fer + carbone (moins de 2,1 % de carbone)
bronze = cuivre + étain
laiton = cuivre + zinc

b. Les céramiques

Les céramiques sont des matériaux obtenus à partir de la fusion du quartz qui est contenu dans du sable ou dans de l’argile. Elles sont très dures, très rigides.

Résistantes à la chaleur, à l’usure, aux agents chimiques et à la corrosion, les céramiques sont cependant fragiles, car elles cassent facilement lorsqu’elles sont soumises à un choc.

Exemple
Les céramiques sont utilisées dans la fibre optique (silicium), les outils de coupe (carbures), les joints d’étanchéité, les isolants électriques, les filtres, etc.

c. Les matériaux composites

Un matériau composite est un assemblage d’au moins deux matériaux non miscibles (qui ne se mélangent pas). Le nouveau matériau ainsi obtenu possède des performances supérieures à celles des éléments pris séparément.

Exemples

Les cadres de raquettes de tennis sont souvent réalisés avec de la fibre de verre et de la résine polyester. Ils sont ainsi plus souples et plus légers que lorsqu’ils sont réalisés en acier.
Le béton armé est composé de béton et de tiges en acier.
Les emballages pour les briques alimentaires (lait, sauces, etc.) sont composés de carton, de plastique et d’aluminium.

d. Les nanomatériaux

Un nanomatériau est un matériau nanostructuré, c'est-à-dire qui comporte des nanoparticules dans sa structure. Les nanoparticules sont des nano-objets dont la taille est typiquement comprise entre 1 nm et 100 nm. Un nanomatériau a des propriétés particulières.

Exemples

Des nanoparticules d’oxyde de cérium sont utilisées comme additifs pour augmenter les performances du diesel.
Des membranes de polymères nanostructurées sont utilisées pour la purification de l’eau.

e. Les matériaux organiques naturels

La matière organique est la matière qui compose les êtres vivants, végétaux ou animaux, champignons, etc., et que ces êtres vivants fabriquent.

Exemples
Le bois, le coton, le cuir et le papier sont des matériaux organiques. On sait fabriquer des matières plastiques à partir de matériaux organiques.

f. Les plastiques

Les plastiques, ou matières plastiques, sont des substances polymères, c’est-à-dire qu’elles sont composées d’un grand nombre de grosses molécules.

Une matière plastique est souvent obtenue par la transformation du pétrole. Les matières plastiques ne laissent pas passer le courant électrique, elles sont légères, généralement étanches. Les utilisations sont très nombreuses.

Il existe deux catégories de matières plastiques : les thermoplastiques et les thermodurcissables.

Les thermoplastiques fondent sous l’effet de la chaleur et se solidifient sous l’effet d’un refroidissement.
La transformation des thermodurcissables est irréversible. Une fois formés, les plastiques thermodurcissables ne se déforment plus.

3. Les caractéristiques des matériaux

Il est utile de connaitre certaines caractéristiques des matériaux pour pouvoir rapidement en sélectionner ou en éliminer certains.

a. Masse volumique

La masse volumique est une grandeur physique qui caractérise la masse d’un matériau pour une unité de volume donnée.

La masse volumique se note ρ et s’exprime généralement en kilogramme par mètre cube (kg·m^–³).

avec :

ρ la masse volumique, en kg·m^–³
m la masse, en kg
V le volume occupé, en m³

Plus la masse volumique est importante, plus le matériau est lourd.

Exemple – masse volumique de quelques matériaux

Matériaux	Acier	Alliage d’aluminium	Bronze	Nylon	Fibres de verre	Fibres de carbone
ρ (en kg·m^-³)	7800	2700	8900	1000	2500	1750

b. Propriétés électriques

La résistivité d’un matériau est une grandeur physique qui caractérise sa capacité à s’opposer à la circulation du courant électrique.

La résistivité se note R et s’exprime en ohm-mètre (Ω·m).

Plus la résistivité est grande, plus le matériau est isolant. À l’opposé, plus la résistivité est faible et plus le matériau est conducteur.

Exemples – propriétés électriques de quelques matériaux

Type de matériau	Résistivité (en Ω·m)	Comportement électrique
Polystyrène Nylon Verre	10²⁰ 5 × 10¹² 10¹⁷	ISOLANT
Aluminium Cuivre	9,8 ×10^–⁸ 2,8 × 10^–⁸ 1,7 × 10^–⁸	CONDUCTEUR

c. Propriétés thermiques de quelques matériaux

Certaines fonctions techniques imposent de conduire la chaleur (exemple des radiateurs) et d’autres de bloquer le flux de chaleur, en l’isolant thermiquement.

Le pouvoir d’isolation vient du matériau lui-même mais aussi parfois de la forme qu’on lui donne.

La conductivité thermique d’un matériau est une grandeur physique qui caractérise sa capacité à transférer la chaleur qu’elle capte.

La conductivité thermique se note λ et s’exprime en watt par mètre-kelvin (W·m^–1·K^–1).

Plus la conductivité thermique est élevée, plus le matériau est conducteur de chaleur.

Exemples – propriétés thermiques de quelques matériaux

Type de matériau	Conductivité (en W·m^–1·K^–1)	Comportement thermique
Laine de verre Béton Nylon Verre	0,04 1 0,25 1,2	ISOLANT
Fer Aluminium Cuivre	80 237 390	CONDUCTEUR

d. Résistance à la corrosion de quelques matériaux

D’une manière générale, la corrosion est la dégradation d'un matériau.

La corrosion correspond à l’altération d’un matériau lorsqu’il est mis en contact avec un oxydant.

Les exemples les plus connus sont les altérations chimiques des métaux à l’air ou dans l’eau, telles que la rouille du fer et de l’acier ou la formation de vert-de-gris sur le cuivre et ses alliages (bronze, laiton).

La corrosion est toutefois un domaine bien plus vaste qui touche toutes sortes de matériaux (métaux, céramiques, polymères) dans des environnements variables (milieu aqueux, atmosphère, hautes températures).

Au niveau de la conception, il faut donc choisir le matériau en fonction de l’environnement dans lequel il va être utilisé ou prévoir un moyen de protection du matériau, comme par exemple la peinture ou le chromage (recouvrement avec du métal de chrome).

Exemple

Comparaison de la résistance à la corrosion de quelques métaux

4. L'impact environnemental des matériaux

Chaque étape du cycle de vie a un impact environnemental, quel que soit le matériau choisi. Il faut donc connaitre ces impacts pour pouvoir les limiter.

Étape du cycle de vie	Matériaux	Impact sur l’environnement
Extraction de la matière première	Bois	Déforestation
	Métaux, verre	Construction de carrières
	Plastiques	Installation de plateformes pétrolières
Transport	Tous types	Émissions de gaz à effet de serre produits par les véhicules de transport
Fabrication/Production	Tous types	Émissions de gaz à effet de serre produits par les usines
Utilisation	Tous types	Émissions de gaz à effet de serre produits par le produit lui-même
Fin de vie	Tous types	Pollution atmosphérique et visuelle, pollution de l’eau produites par les déchets

Lorsque l’objet arrive en fin de vie, plusieurs alternatives sont possibles.

La réutilisation : l’objet est encore utilisable en remplaçant éventuellement certains composants.
Le recyclage : à partir d’un matériau usagé, on crée de la matière qui va entrer dans la constitution d’un produit

Exemple : le recyclage du verre.
La valorisation énergétique : on brule le matériau et on récupère l’énergie de la combustion pour produire de la chaleur.