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Science et génie des matériaux (Matériaux solides cristallins (Les 7…
Science et génie des matériaux
6 propriétés des matériaux solides
Mécaniques
Déformation matériau
Module d'elasticité
résistance
Electriques
Champ électrique
Conductibilité
constante diélectrique
Thermiques
Température
Capacité calorifique
Conductibilité thermique
Magnétiques
Champ magnétique
Réaction matériaux
Optiques
Rayonnement
électromagnétique ou lumineux
Indice de réfraction
réflectivité
Chimiques
Réactivité chimiques du matériau
Classification des matériaux
Métaux
(bons conducteurs thermiques et électriques, très résistants et déformables)
Céramiques
(mauvais conducteurs électrique et thermique, bonne résistance aux temp. élevées mais dures et fragiles)
Polymères
(plastiques et caoutchouc)
Composites
(combinaison de plusieurs métaux)
Semi-Conducteurs
(propriété électriques entre celle des conducteurs et isolants)
Biomatériaux
: (ne produisent pas de substances toxiques. Aucune réaction immunitaire de rejet).
Liaisons atomiques dans solides
Liaison ionique
(pour composé constitués d'éléments métalliques et non-métalliques)
Description
Atomes abandonnent leurs électrons de Valence et deviennent des ions. Les forces de liaison d'attraction sont coulombienne donc que ions nég et pos s'attirent mutuellement.
La liaison ionique est non directionnelle (amplitude du lien autour d'un ion est égale dans toutes les directions.)
Caractéristique physiques
Les matériaux ioniques sont durs et fragiles tout en ayant des propriétés d'isolant thermiques et électriques
Liaison covalente
(pour solides élémentaires tels que diamant (carbone), silicium et germanium et d'autres composés solides côté droit du TPE.
Description
Partage d'électrons entre atomes adjacents. Deux atomes liés par covalence consacrent un électron min à la liaison et que l'électron partagé appartient aux deux atomes.
La liaison covalente est directionnelle que ça n'existe que entre des atomes précis et qu'elle s'aligne dans la direction des deux atomes qui participent au partage d'électrons.
Pour déterminer le nombre de liaisons covalentes possible, on fait 8-N' où N' est le nombre d'électron de valence.
Caractéristiques physiques
Les liaisons covalentes sont à la fois très fortes (diamant) et très faible (bismuth). Les matériaux polymères sont en général liés de cette façon.
Liaison métallique
(pour métaux et leurs alliages)
Description
Les électrons de Valence (1,2 ou 3 max pour matériaux métalliques) ne sont liés à aucun atomes et sont pratiquement libre de circuler à travers tout le métal entier.
La liaison métallique à un caractère non directionnel. La liaison peut être forte (tungstène) ou faible (mercure)
Caractéristiques physiques
Grâce aux électrons libre, il en résulte une bonne conductivité électrique et thermique.
Liaison Van der Waals
Liaisons dipolaires induites
Description
Il s'agit de liaisons faibles en comparaison des métalliques, covalente et ionique. Cette liaison peut être présente partout mais est occultée si il y en a une autre.
Les forces proviennent des dipôles atomiques ou moléculaires.
Caractéristiques physiques
La liaison van der Waals prédomine dans les gazes rares (Argon) et se retrouve également entre les molécules dans les structures moléculaires liées par covalence.
Liaisons dipolaires permanentes
Description
Il s'agit de forces entre molécules polaires adjacentes. Les énergies de liaison correspondantes sont nettement plus élevées que celles des liaisons dipolaires induites.
Caractéristiques physiques
Par exemple la liaison hydrogène où aucun électron ne fait écran pour une liaison
Matériaux solides cristallins
Principes fondamentaux
La structure de solide cristallins est présentée sur la base de la notion
de maille élémentaire.
Les atomes forment des ensembles qui se répètent sur de grandes distances atomiques. Cela constitue un réseau tridimentionnel
Maille élémentaire
Nous subdivisons la structure cristalline en petites unités de base qui se répètes appelées mailles élémentaires.
Structures des cristaux métalliques
Il s'agit de liaisons de type métalliques et non directionnelles. La plupart des métaux courants possèdent l'une des trois structures cristallines relativement simples (CFC,CC, HC)
Structure cristalline cubique à face centrées
Métaux
: Cuivre, aluminium, argent, or
Formule
a = 2R√2 où a est la longueur de l'arête de la maille élémentaire
Nombre de coordination
= 12
Compacité
= 0.74 (cela représente l'empilement maximal de sphères ayant toutes le même diamètre)
Structure cristalline cubique centrée
Métaux
: Chrome, fer, tungstène
Formule
a = (4R)/√3
Compacité
= 0.68
Nombre de coordination
= 8
Structure cristalline hexagonale compacte
Métaux
: cadmium, magnésium, titane, zinc
Formule
Volume maille = 6R²c√3 où c = c/a *2R
Nombre de coordination
= 12
Compacité
= 0.74
Calcul de la masse volumique
abbrégée p= (n
M)/(V
N) où
n = nombre d'atomes associés à chaque maille élémentaire
M = Masse molaire
V = volume de la maille élémentaire
N = Nombre d'Avogadro
Polymorphisme et allotropie
Polymorphisme : certains métaux peuvent présenter plus d'une structure cristalline
Allotropie : même situation pour des solides élémentaires
=> il s'agit de la pression extérieure et de la température qui définit la structure cristalline prévalente (carbone : graphite est un polymorphe stable aux conditions ambiantes alors que le diamant se forme à une pression extrêmement forte)
Les 7 systèmes cristallins
Cubique
Hexagonal
Quadratique
Rhomboédrique
Orthorhombique
Monoclinique
Triclinique
Directions et plans cristallographiques
Plans cristallographiques / Indices Miller
Étapes :
Définir un plan qui passe par le point d'origine, puis lui permettre de faire des translations parallèles.
On établit la longueur de l'intersection du plan avec chacun des axes.
On utilise l'inverse. Dans le cas d'un plan parallèle à un axe, son point d'intersection se situe à l'infini et par conséquent l'indice est 0.
Multiplie ou divise par facteur commun pour ramener aux plus petites valeurs entières possibles.
Inscription entre parenthèses des 3 valeurs.
Directions cristallographiques
Étapes :
Tracer un vecteur depuis le point d'origine
Détermine la longueur de la projection vectorielle sur les 3 axes et on exprime la mesure a,b,c de la maille
Multiplie ou divise par facteur commun pour ramener aux plus petites valeurs entières possibles
Inscription des trois indices en [ ]
Attention à la conversion avec le HC
Matériaux non-cristallins ou amorphes