Materiaux et leurs Proprietes
Proprietes mecaniques, thermiques et electriques
Objectifs pedagogiques
- Connaitre les grandes familles de materiaux et leurs caracteristiques
- Identifier les proprietes mecaniques et savoir les mesurer
- Comprendre les proprietes thermiques et electriques des materiaux
- Choisir un materiau adapte a une application donnee
- Integrer les criteres environnementaux dans le choix des materiaux
1. Les grandes familles de materiaux
Les materiaux sont classes en quatre grandes familles, chacune possedant des caracteristiques specifiques qui determinent leurs domaines d'application. Le choix d'un materiau est toujours un compromis entre performances, cout et impact environnemental.
Metaux et alliages
Bons conducteurs electriques et thermiques, ductiles, opaques.
- Acier : construction, mecanique
- Aluminium : aeronautique, emballage
- Cuivre : electricite, plomberie
- Titane : aeronautique, medical
Polymeres (plastiques)
Legers, isolants, faciles a mettre en forme, faible cout.
- PET : bouteilles, emballage
- PP : automobile, electromenager
- ABS : coques, jouets (LEGO)
- PTFE (Teflon) : anti-adhesif
Ceramiques et verres
Tres durs, resistant a la chaleur, fragiles, isolants.
- Alumine : outils de coupe, isolants
- Silice : verre, fibres optiques
- Carbure de silicium : abrasifs
- Beton : construction
Composites
Association de materiaux pour combiner leurs proprietes.
- Fibre de carbone/epoxy : aeronautique, sport
- Fibre de verre/polyester : bateaux, carrosserie
- Beton arme : construction
- Bois lamelle-colle : charpente
A noter : Un composite est constitue d'une matrice (liant) et d'un renfort (fibres, particules). La matrice assure la cohesion, le renfort apporte les proprietes mecaniques.
2. Proprietes mecaniques
Les proprietes mecaniques caracterisent le comportement d'un materiau soumis a des efforts. Elles sont essentielles pour dimensionner les pieces et garantir leur tenue en service.
Essai de traction
L'essai de traction est l'essai mecanique le plus courant. On etire une eprouvette normalisee et on mesure l'allongement en fonction de la force appliquee.
Courbe de traction typique (acier)
Grandeurs caracteristiques
| Grandeur | Symbole | Unite | Definition |
|---|---|---|---|
| Module d'Young | E | GPa | Rigidite du materiau (pente elastique) |
| Limite elastique | Re | MPa | Contrainte maximale sans deformation permanente |
| Resistance a la traction | Rm | MPa | Contrainte maximale avant rupture |
| Allongement a rupture | A% | % | Deformation maximale avant rupture (ductilite) |
| Durete | HV, HRC | - | Resistance a la penetration |
Valeurs typiques
| Materiau | E (GPa) | Re (MPa) | Rm (MPa) | A% | ρ (kg/m3) |
|---|---|---|---|---|---|
| Acier S235 | 210 | 235 | 360 | 26 | 7850 |
| Aluminium 6061 | 70 | 275 | 310 | 12 | 2700 |
| Titane TA6V | 110 | 880 | 950 | 10 | 4430 |
| Carbone/Epoxy | 130 | - | 1500 | 1.5 | 1600 |
| ABS | 2.3 | - | 40 | 20 | 1050 |
| Bois (chene) | 12 | - | 100 | - | 700 |
Performance specifique
Pour les applications ou le poids est critique (aeronautique, sport), on compare les materiaux par leur resistance specifique (Rm/ρ) ou leur rigidite specifique (E/ρ). C'est pourquoi les composites carbone sont tres utilises malgre leur cout eleve.
3. Proprietes thermiques
Les proprietes thermiques decrivent le comportement des materiaux face a la chaleur. Elles sont essentielles pour les applications ou la temperature joue un role important (isolation, echangeurs, moteurs...).
Grandeurs thermiques
| Grandeur | Symbole | Unite | Signification |
|---|---|---|---|
| Conductivite thermique | λ (lambda) | W/(m.K) | Capacite a conduire la chaleur |
| Capacite thermique | Cp | J/(kg.K) | Energie pour elever 1 kg de 1C |
| Dilatation thermique | α (alpha) | 10⁻⁶/K | Variation de dimension avec T |
| Temperature de fusion | Tf | C | Temperature de passage liquide |
Valeurs comparatives
| Materiau | λ (W/m.K) | Cp (J/kg.K) | α (10⁻⁶/K) | Usage |
|---|---|---|---|---|
| Cuivre | 390 | 385 | 17 | Echangeurs, radiateurs |
| Aluminium | 237 | 897 | 24 | Dissipateurs, casseroles |
| Acier | 50 | 500 | 12 | Structure |
| Verre | 1 | 800 | 9 | Vitrage |
| Bois | 0.15 | 1700 | 5 | Isolation naturelle |
| Polystyrene expanse | 0.035 | 1300 | 70 | Isolation batiment |
| Air | 0.026 | 1000 | - | Double vitrage |
Application : Maison passive
Dans une maison passive, l'isolation est primordiale. On utilise des materiaux a faible conductivite thermique (λ petit) comme la laine de roche (0.035 W/m.K), le polyurethane (0.025 W/m.K) ou les materiaux bio-sources (paille, chanvre). L'objectif est de limiter les deperditions de chaleur a moins de 15 kWh/m²/an.
4. Proprietes electriques
Les proprietes electriques caracterisent le comportement des materiaux vis-a-vis du courant electrique. On distingue trois categories de materiaux selon leur conductivite.
Conducteurs
ρ inferieur a 10⁻⁵ Ω.m
- Cuivre : 1.7×10⁻⁸ Ω.m
- Aluminium : 2.8×10⁻⁸ Ω.m
- Or : 2.2×10⁻⁸ Ω.m
Usage : cables, connecteurs
Semi-conducteurs
ρ entre 10⁻⁵ et 10⁷ Ω.m
- Silicium : variable
- Germanium
- GaAs (arseniure de gallium)
Usage : transistors, LED
Isolants
ρ superieur a 10⁷ Ω.m
- Verre : 10¹² Ω.m
- Caoutchouc : 10¹³ Ω.m
- PTFE : 10¹⁸ Ω.m
Usage : gaines, isolants HT
Autres proprietes electriques
- Permittivite (ε) : capacite a stocker des charges (condensateurs)
- Permeabilite (μ) : reponse aux champs magnetiques (transformateurs)
- Rigidite dielectrique : tension maximale avant claquage
- Piezoelectricite : generation de tension sous contrainte (quartz)
Application : Velo electrique - Le moteur utilise du cuivre (bobinages) pour sa conductivite, des aimants en neodyme (magnetisme) et de l'acier feuillete (permeabilite) pour le circuit magnetique. La batterie lithium-ion combine des oxydes metalliques (cathode), du graphite (anode) et un electrolyte polymere.
5. Choix des materiaux en conception
Le choix d'un materiau est un compromis entre de nombreux criteres. L'ingenieur doit hierarchiser ces criteres en fonction de l'application et des contraintes du projet.
Criteres de selection
Criteres techniques
- Proprietes mecaniques requises
- Resistance a la corrosion
- Comportement thermique
- Proprietes electriques
- Masse (densite)
- Mise en forme possible
Criteres economiques et environnementaux
- Cout du materiau brut
- Cout de transformation
- Disponibilite
- Impact environnemental (ACV)
- Recyclabilite
- Toxicite
Exemple : Cadre de velo
| Materiau | Masse | Rigidite | Cout | Recyclabilite | Usage |
|---|---|---|---|---|---|
| Acier | Lourd | Excellente | Faible | 100% | Ville, touring |
| Aluminium | Leger | Bonne | Moyen | 95% | Route, VTT |
| Carbone | Tres leger | Excellente | Eleve | Difficile | Competition |
| Titane | Leger | Excellente | Tres eleve | Bon | Haut de gamme |
6. Materiaux et developpement durable
Dans une demarche d'eco-conception, le choix des materiaux doit integrer leur impact environnemental sur tout leur cycle de vie : extraction, transformation, utilisation et fin de vie.
Indicateurs environnementaux
| Materiau | Energie grise (MJ/kg) | CO2 (kg/kg) | Recyclage |
|---|---|---|---|
| Acier (vierge) | 25-35 | 1.8-2.5 | Tres bon |
| Acier (recycle) | 8-12 | 0.4-0.7 | Infini |
| Aluminium (vierge) | 170-220 | 8-12 | Tres bon |
| Aluminium (recycle) | 10-20 | 0.5-1 | Infini |
| PET | 80-90 | 2-3 | Limite |
| Bois | 2-5 | Negatif! | Biodegradable |
Materiaux eco-responsables
- Bois certifie (PEFC, FSC)
- Bioplastiques (PLA, PHA)
- Fibres naturelles (lin, chanvre)
- Metaux recycles
- Beton bas carbone
Materiaux a eviter
- PVC (chlore, phtalates)
- Polystyrene non recycle
- Metaux lourds (plomb, cadmium)
- Composites non recyclables
- Bois tropicaux non certifies
Economie circulaire
L'economie circulaire vise a reduire, reutiliser, recycler les materiaux. En conception, cela implique de choisir des materiaux recyclables, de faciliter le demontage des produits et d'eviter les assemblages multi-materiaux difficiles a separer.
