TPE SUR LE GÉNIE DES MATÉRIAUX

« « à cire perdue » : ici, le modèle est constitué d'une cire ou d'un plastique ayant une basse température de fusion.

On verse dessus une bouillie fluide , par exemple du plâtre de moulage, qui épouse parfaitement le modèle.

On chauffe ensuite le tout : le modèle fond laissant une cavité qui constitue le moule en plâtre du modèle.

Dans cette technique on procède à la compaction d'une poudre métallique, suivie d'un traitement thermique.

Cette méthode convient particulièrement aux métaux peu ductiles ou à ceux dont la fusion est difficile.

Il iiUH\11.lll il On groupe sous le nom de céramiques toute une variété de matériaux de porosité variable qui présentent le caractère commun d'être toujours obtenus à part ir d'une pâte argileuse cuite au four après addition de diverse substances (quartz, feldspath ...

).

Les argiles sont des formations sédimen taires caractérisées par la présence de silicates et de silice libre et éventuellement de carbonates .

On peut classer les céramiques en plusieurs familles : briques et tuiles, terres cuites et poteries, faïences, grès et porcelaines, matériaux réfractaires.

BRIQUES ET TUILES L'emploi des briques et tuiles remonte à la plus haute antiquité .

Cela s'explique par la facilité avec laquelle la terre argileuse se façonne.

Les argiles à briques comportent des silicates entre 900 et l 100 °C.

La présence d'oxyde de fer donne à la brique sa couleur rouge.

TERRES CUITES ET POTERIES Les terres cuites et les poteries sont constituées d'une pâte poreuse .

Les premières sont formées d'argile naturelle très plastique , soumise à une cuisson progressive entre 900 et l 000°C de façon à ne pas provoquer de déformation.

Les poteries sont préparées avec de l'argile, du kaolin, du quartz et du feldspath.

Leur cuisson a lieu entre l 100 et l 200°c.

FAIENCES La faïence est une céramique poreuse qui peut être blanche ou colorée , allant de l'ocre au rouge, selon la pureté de l'argile emp loyée pour sa préparation.

La cuisson s'effectue vers l 200 - l 300 °C.

Cette température relativement basse de cuisson permet uniquement la déshydratation totale de l'argile.

Cela explique la nature poreuse de la faïence , comme les terres cuites et les poteries.

CRES ET PORCELAINES Pour obtenir une céramique à pâte plus compacte , il faut élever la température de cuisson afin de provoquer un début de fusion destinée à favoriser la soudure des granules de la pâte et l'obtention d'une masse compacte et imperméable.

C'est ce que l 'on fait dans la préparation des grès , cuits entre l 350 et l 400 °C, et des pane/aines , plus fines , cuites entre l 400 et l 550 °c.

Entièrement vitrifiés à cœur, grès et porcelaines sont imperméables .

MArtRIAUX RÉFRACTAIRES La pâte des céramiques réfractaires contient une forte proportion d'oxydes à haut point de fusion (oxydes d'aluminium , de thorium, de béryllium ...

).

lis sont employés dans la construction de fours industriels , comme par exemple les hauts fourneaux .

ÉMAILLACE L'émaillage consiste à recouvrir une céramique d'une couche d'émail vitrifiable à chaud.

L'objectif principal de cette opération est de rendre la céramique imperméable.

L'émaillage a également souvent un but esthétique.

Les émaux sont obtenus en fondant ensemble des produits comme le sable , le feldspath , l'oxyde d 'étain , le borax ..

.

Le verre est un des plus vieux matériaux mis au point par l'homme .

Il est essentiellement employé en optique, en architecture et en chimie (seul l 'acide fluorhydrique est capable de le dissoudre).

Son prix de revient est modéré ; gros avantage : il peut être recyclé autant de fois que l'on souhaite.

Sa production repose essentiellement sur l'emploi de sable que l'on fait fondre en chauffant.

L'addition de traces de divers oxydes métalliques teinte le verre.

Aussi , une bonne transparence exige une grande pureté et un bon contrôle des réactifs employés pour la production du verre .

Signalons toutefois que certains diatomées (algue unicellulaire ) se fabriquent une coque en verre à température ambiante, mais bénéficient pour cela d'une biochimie non encore bien élucidée .

Leur production annuelle de verre dépasse celle de l 'industrie.

PRODUCTION DU VERRE Le sable fond à l 700 °C, mais lorsqu 'il est mélangé à des carbonates , son point de fusion baisse.

On introduit ainsi sable , carbonates de sodium et carbonate de calcium dans un four porté à l 500 ° C : le tout fond .

Le verre en fusion sort du four et subit ensuite divers traitement adaptés à divers usages .

Par exemple , son refroidissement rapide au jet d 'air donne du verre trempé employé dans l'industrie automobile pour confectionner les verres feuilletés (couches verre -plastique-verre ) des pare-brises.

L'ajout d'oxyde de bore aux matières premières donne du verre borosilicaté qui résiste bien aux changements de température (employé en chimie et en cuisine ).

Pour la fabrication des verre s à vitre , on fait passer le verre en fusion sur un lit d'étain en fusion : cela permet d'obtenir un verre à surface parfaitement lisse .

POLYMÈRES ET COMPOSITES POLYMERES Les polymères regroupent des matériaux formés de grosses molécules , des chaînes hydrocarbonées, parfois géantes (macromolécules ).

Comme exemple , on peut citer les plastiques et les caoutchoucs.

Alors que dans les années 1950 , le plastique était réservé à des objets peu coûteux , aujourd 'hui on les trouve partout et ils sont fort appréciés.

La gamme étendue des propriétés des polymère s provient de la très grande variété de polymères que l'industrie est capable de produire .

En réalité, c'est à partir de quelques polymères de base que l'on obtient cette immense variété par ajout d 'additifs et ajustement des procédés de fabrication.

Ces polymères de base sont : le polyéthylène PE, le polypropylène PP, les polyamides PA, les polyesters comme les PET par exemple (polytéréphtalate d'éthylène ), le polycarbonate PC, polymétacrylate de méthyle PMMA , le polychlorure de vinyle PVC , le polyuréthane PU, et les polyépoxydes .

Leur synthèse relève de la chimie organique .

COMPOSITES Les composites sont synthéti sés généralement en combinant deux des trois matériaux suivants : polymère , métal , céramique.

Les deux matériaux ne sont pas nécessairement de natures différente s : un composite peut être de type céramique -céramique .

Si la combinaison est effectuée astucieusement, cela donne une combinaison des propriétés et on obtient un matériau qui possède de meilleure s propriété s que chacun des matériaux constitutifs .

Ains i, en comb inant une céramique et un polymère, on peut obtenir un matériau à la fois dur et flexible.

Généralement un des matériau x enveloppe les autre s : on l 'appelle la « matrice ».

Les autres sont les « matériau x renforts ».

Il existe trois sortes de composites : ceux renforcés par des part icules , ceux renforcés par des fibres, et les composites dits structuraux .

Signalons qu'il existe des matériaux composites naturels.

Le bois en est un, l 'os un autre .

Composites renforcés par des particules Dans les compo sites renforcés par des particule s, on dispers e dans la matrice de très petites particules (O ,l à 0 ,01 micromètre ).

Cela a pour effet de restreindre la déformation et d 'élever la résistance à la traction .

Dans certains cas, comme dans le b~ton , les particules sont grosses .

Ici, la matrice et les renforts sont des céramiques (on peut en effet considérer le béton comme une céramique ).

On peut aussi inclure dans le béton des armatures de diverses natures : cela donne alors du béton armé .

En raison notamment de sa dilatation thermique qui est identique à celle du béton, l'acier est un matériau de choix pour produire du béton armé .

Composites renforcés par des fibres Si au lieu d'inclure des grains dans la matrice , on y inclut des fibre s, on obtient un compo site à fibre s.

Ici la matrice ductile transmet aux fibres les contraintes auxquelles il est soumis.

On peut par exemple ajouter au béton des fibres de verre , de carbone , d 'acier , de nylon ...

Afin que le composite soit performan~ il est nécessaire que les fibres aient une longueur minimale qui dépend du diamètre des fibres et de leur résistance à la rupture.

Dans la pratique, la longueur des fibres est de l'ordre de l mm, soit 10 à 100 fois leur diamètre .

La dispo sition des fibres les unes par rapport aux autres conditionne de manière significative le comportement du composite : la résistance à la traction est par exemple maximale dans la direction des fibres et minimale dans une direction perpendiculaire .

Le s composites à fibres ont le plus souvent un polymère comme matrice (CMP ), bien qu'il existe des matrices métalliques (CMM ) ou céramiques (CMC) .

Comme exemples bien connus de CMP, on peut citer les fibres de carbone , les fibres de verre, les fibres d'aramides (des polyamides aromatiques), le plus connu de ces dernières étant le Kevlar.

Il existe aussi des compo sites fibrés hybrides où l'on inclut dans la matrice deux sortes de fibres différentes (employés en aéronautique notamment ), et les composites carbone-carbone que l'on considère souvent comme un matériau de pointe.

Comme leur nom l'indique , il s'agit de fibres de carbone situées dans une matrice de carbone.

Ces composites qui résistent bien à la température ( 2 000 °C) sont employés dans le bouclier thermique de la navette spatiale, en aviation militaire et pour automobiles de haute performance.

Leur prix est cependant très élevé en raison de la difficulté de leur mise au point.

Composites struduraux Il en existe principalement deux sortes de composites structuraux : les « stratifiés » et ceux à « structure sandwich » .

Dans les premiers on empile par collage plusi eurs couches d 'un matériau fortement anisotrope , de sorte que l'anisotropie change de direction d'une couche à l 'autre .

On obtient ainsi un composite très isotrope .

Le contreplaqué est un bon exemple de composite structural : les couches sont disposées de sorte que les fibres d 'une couche soient perpendiculaires à celles des deux couches adjacentes .

Un sandwich est formé d'un matériau peu dense , appelé « cœur •>, pris en sandwich entre deux autres très résistantes , les « faces 11.

On obtient dans ce cas des matériaux résistants et de faibles masses volumiques .

Parmi les matériaux employés pour le cœur citons : mousses, polymères et caoutchouc , mais aussi parfo is du bois .

En ce qui concerne les face s, on emploie souvent de l 'aluminium , de l'acier, des composites ...

Les sandwiches sont employés dans de nombreuses constructions : ailes d 'avions, toits et planchers ...

Structure du contreplaqué. »