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1 Matériaux: de la chimie aux propriétés F. Sorin et E. Klok (MX) Ecole Polytec

1 Matériaux: de la chimie aux propriétés F. Sorin et E. Klok (MX) Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne Cours EPFL 1ère année - Faculté STI Génie électrique et électronique Microtechnique Cours No 1.1 2 Table des matières § But, contenu et organisation du cours § Introduction générale des matériaux: § Classification § Historique: de l’atome aux matériaux § Consommation et recyclage § Développements technologiques grâce aux matériaux § Choix des matériaux Cours No 1.1 3 But du cours § La plupart des applications ou des développements technologiques sont limités par les matériaux § La science des matériaux permet de concevoir et élaborer un matériau à l’échelle atomique (composition, structure), en vue d’obtenir des propriétés et des performances optimales par un procédé de fabrication économique, et respectueux de l’environnement. § Pour atteindre les propriétés mécaniques, optiques, magnétiques etc..voulues, il faut donc comprendre la structure atomique de la matière et les liaisons chimiques, et les réactions chimiques. Le but de ce cours est de vous plonger dans cet univers et de vous donner les outils de base pour y évoluer Cours No 1.1 4 But du cours § Nous ferons de la chimie, un peu de physique… et des maths ! § Notions de base: § Concepts mathématique clés § Les dimensions § Les ordres de grandeur § Un bon ingénieur doit développer une intuition et une bonne compréhension des lois physiques et chimiques, et être capable de les exprimer de façon mathématique et numérique. Cours No 1.1 5 Objectifs pratiques A la fin du cours, vous devez être capables de: • Expliquer la structure et les propriétés de base des atomes et des liaisons chimiques • Appliquer les principes de la thermodynamique à la résolution de problèmes d'équilibre • Calculer le pH d'une solution aqueuse • Etablir la loi de vitesse d'une réaction chimique • Formuler un problème lié aux matériaux en termes d'équations simples • Choisir ou sélectionner un type de matériau en fonction de son cahier des charges • Analyser des propriétés des matériaux en fonction de leur structure et de leur composition • Calculer des propriétés de matériaux en respectant les ordres de grandeur et les unités. Compétences transversales • Utiliser une méthodologie de travail appropriée, organiser un/son travail. • Etre responsable des impacts environnementaux de ses actions et décisions. • Evaluer sa propre performance dans le groupe, recevoir du feedback et y répondre de manière appropriée. • Etre conscient des implications sociales et humaines liées au métier de l'ingénieur. • Auto-évaluer son niveau de compétence acquise et planifier ses prochains objectifs d'apprentissage. • Accéder aux sources d'informations appropriées et les évaluer. Cours No 1.1 6 Contenu du cours 1. Introduction/structure atomique, tableau périodique 2. Stoechiométrie, liaisons chimiques 3. Structure des matériaux I 4. Structure des matériaux II 5. Propriétés mécaniques: Elasticité linéaire/plasticité 6. Propriétés mécaniques: Ductilité, Ténacité et dureté 7. Thermodynamique/réaction chimique, équilibre Cours No 1.1 7 Contenu du cours 8. Propriétés mécaniques: Fatigue et usure/diffusion thermique 9. Diffusion / Diagrammes de phases 10. Chimie: Redox, pile et électrolyse Propriétés électriques 11. Propriétés électriques + Réactions acide / base 12. Réactions acide / base + Cinétique chimique 13. Propriétés magnétiques 14. Propriétés optiques + Résumé du cours Cours No 1.1 8 Documentation pour le cours 1. Une copie des transparents, les données des exercices, les corrigés et autres documents se trouvent sur le site https://moodle.epfl.ch/course/view.php?id=15843 2. Les vidéos de Michel Rappaz: https://www.youtube.com/playlist?list=PLiUzDFqS- HE2BTomCK0ImNJapEa1cvoXm 3. Les livres § Matériaux: ingénierie, science, procédé et conception, PPUR (2013) M. Ashby, H. Shercliff, D. Cebon (Bibliothèque EPFL) § Chimie générale (livre 1) et chimie des solutions (livre 2), (2008) J. W. Hill, R. H. Petrucci, T. W. McCreary et S.S. Perry, éditions du renouveau pédagogique Extraits sur Moodle + Bibliothèque EPFL Cours No 1.1 9 Documentation pour le cours Cours No 1.1 - Aller sur : https://beast-epfl.hosted.exlibrisgroup.com/primo- explore/search?vid=EPFL&lang=en_US - Insérer: Matériaux: ingénierie, science, procedé et conception - Cliquer sur l’onglet vert “Online” 10 Documentation pour le cours Cours No 1.1 11 Exercices de chimie Cours No 1.1 12 Organisation Les vidéos et les notes des cours seront mis sur Moodle au plus tard au début de chaque semaine; Les énoncés des exercices seront mis sur Moodle les mardis, les corrigés les vendredis; Pendant tout le semestre, un forum de discussion sera actif sur Moodle pour poser vos questions à tout moment. Examen propédeutique sous forme écrite en Juin (1 formulaire fourni, celui de 2020 est sur Moodle) Cours No 1.1 13 Exercices Il est essentiel de faire les exercices (learning by doing) et de lire les supports de ce cours. Pour les exercices: 6 assistants-doctorants + 13 assistants-étudiants + 2 professeurs seront à votre disposition sur Zoom dans des meeting rooms individuelles. Les liens seront mis sur Moodle. Pour les MT: les jeudi de 14h15 à 16h Pour les EL: les jeudi de 14h15 à 15h et vendredi de 13h15 à 14h Cours No 1.1 14 Classification des Matériaux 1. Céramiques et verres 2. Métaux 3. Polymères et élastomères 4. Composites Les matériaux sont usuellement catalogués en 4 grandes catégories selon leur structure atomique: Matériaux inorganiques avec liaisons covalentes ou ioniques; résistant thermiquement et mécaniquement mais fragiles; faible conductivité électrique Matériaux avec des liaisons métalliques conférant une bonne conductivité électrique et thermique, réfléchissant la lumière et se déformant avant de casser (ductiles). Longues chaines de molécules organiques avec des liaisons covalentes (C-C) au sein des chaîne et des liaisons faibles entre celles-ci. Plutôt isolants électriques et thermiques. Matériaux assemblant de façon non miscible au moins deux matériaux des trois catégories précédentes. Cours No 1.1 15 Classification des Matériaux Matériaux (ou composés) organiques: Tout composé contenant au moins l'élément carbone (C) et un ou plusieurs des éléments suivants : hydrogène, halogènes, oxygène, soufre, phosphore, silicium ou azote, à l'exception des oxydes de carbone et des carbonates et bicarbonates inorganiques. Matériaux organiques vs. inorganiques ? Polyéthylène (PE) (synthétique) C H H C H H C H H C H H C H H C H H … … Cellulose: (naturel) C O H Cours No 1.1 16 Historique: de l’atome aux matériaux De Zénon et Démocrite… à la vision classique de Bohr de l’atome: Cours No 1 Noyau avec Z protons p+ (no atomique) et N neutrons n0 Atome neutre: Z électrons e- Isotope: Même Z, mais N différent Taille du noyau: 10-15 m Rayon (de Bohr): 0.5 Angstrom (Å) ≈ 10-10 m Distance entre atomes dans un solide: ≈ 3 - 5 Å me = 9.1´10-31 kg mh = 1836´me matome ≈ (Z+N) x mh Charge: qp = -qe = 1.6´10-19 As ou C Zénon Démocrite 17 - La formation de liaisons, l’arrangement des atomes et les défauts dans la microstructures sont à l’origine des propriétés des matériaux. - Mis à part la gravitation, toutes les forces et les liaisons chimiques que nous rencontrons "usuellement" sont de nature électrique, et dues aux électrons : - Ce lien entre microstructure et propriétés macroscopiques, qui nous suivra tout au long du cours, a mis du temps à être développé. De l’atome aux liaisons… aux matériaux + + - - Cours No 1.1 18 Métaux Polymères Elastomères Céramiques Composites -10000 -5000 0 1000 1800 1900 1940 1960 1980 1990 2000 2010 or cuivre étain bronze fer fonte grise acier aciers alliés Al Mg Ti super- alliages Al-Li Zr verres métal. laine peau fibres colles caout- chouc bakelite nylon PE PC PS PP poly- esters acryl. PTFE PEEK pierre poterie verres ciments réfract. ciment Portland cermet pyro- céram. céramiques techn. Al2O3, SiC, BN, PZT,… torchis papier CFRP GFRP Kevlar-FRP MMC composites céram. Redessiné à partir de M. Ashby et al., Materials Historique silex PMMA Cours No 1.1 19 Consommation 106 t/an kg/an/ h Acier 1129 185.8 Aluminium 32 5.3 Cuivre 30 4.9 Zinc 9.7 1.6 Plomb 5 0.8 Titane 2 0.3 Nickel 1.3 0.2 Magnésium 0.6 0.1 Silicium 5. 0.8 106 t/an kg/an/h Huile et charbon 9000 1481 Béton 12000 1975 Ciment 1100 181 Bois 1100 181 Verre 70 11.5 PE 65 10.7 PVC 50 8.2 PP 50 8.2 PET 9 1.5 Source: M. Ashby et al., Materials et web La consommation par habitant est impressionante…: Cours No 1.1 20 Consommation et recyclage Cours No 1.1 Le cas de l’Aluminium est très intéressant: - Abondamment utilisé…. - Extrait de son oxyde l’Alumine (Al2O3), sa production nécessite environ 105 -106 MJ.m-3 - Il faut seulement environ 3% ce cette énergie pour le recycler ! 2!" + 3 2 !! →!"!!! 21 Le Silicium Le Silicium s’est imposé comme le matériau de choix pour la microtechnique et l’ingénierie électrique. Il est aussi le matériau le plus utilisé dans l’industrie photovoltaïque: - Il est très abondant; - Il peut être rendu très efficace pour convertir l’énergie solaire en électricité - C’est paradoxalement un assez mauvais absorbeur de lumière visible ! Si Cours No 1.1 22 Télécommunication: La Silice Le professeur Kao a reçu le prix nobel de Physique pour son invention des fibres optiques en 2009. Le matériau qui a permis cette révolution pour la communication est encore le uploads/Ingenierie_Lourd/ cours-1-1.pdf