Introduction aux Matériaux: Propriétés, Classes, Métaux et Semi-conducteurs

1. Introducon
Objecf du cours : donner du vocabulaire et se familiariser avec les grandes classes de matériaux
• Atome = brique élémentaire de la maère
Matériau est composé d’atomes ⇒ comprendre atome, et ses propriétés, comment ils s’organisent pour
former la maère ⇒ comprendre principales propriétés matériaux
• Un matériau est la forme marchande d’une maère première choisie en raison de propriétés
d’usage spéciques et mise en œuvre par des techniques appropriées pour l’obtenon d’un objet
de géométrie donnée à foncon préméditée.
Un matériau est une maère dont on fait un matériel !
Propriétés viennent de composion chimique (nature) et microstructure (organisaon)
• Changement d’état = transion de phase lors du passage d’un état à un autre, provoqué par
modicaon pression, température et/ou volume ⇒ diagramme de phase (point triple et point
crique/uide supercrique)
• Viscosité = résistance à l’écoulement, quand augmente ⇒ capacité du uide à s’écouler diminue
• Gaz + énergie supplémentaire ⇒ séparaon charges électriques = milieu ionisé, soupe ions-
électrons libres
99% maère connue = plasma, exemple : soleil, aurores boréales
• Mésophase = phase propre aux cristaux liquides, entre états liquide isotrope et solide cristallin

2. Les grandes classes de matériaux
• Joint de grains = zone amorphe entre 2 zones cristallines
Echelles :
- Nanoscopique ou atomique (<10nm) atome Fer
- Microscopique (0,1-10µm) monocristal Fer
- Mésoscopique (10-100µm) structure polycristalline Fer
- Macroscopique > mm
Nature chimique, forme physique (phases en présence, granulométrie et forme des parcules), état de
surface confèrent des propriétés parculières
• 4 grandes familles de matériaux : métalliques, composites, organiques, minéraux
Cristallographie : étude et caractérisaon de l’organisaon parfaitement ordonnée des solides cristallins
Cristaux naturels : formes polyédriques + ou – complexes limitées par faces planes et lisses
Cristallographie morphologique : caractérisques cristal àpd étude géométrique
4 classicaons :
- 7 systèmes cristallographiques
- 14 réseaux de Bravais
- 32 classes cristallines
- 230 groupes d’espace
Opérateurs de symétrie
Opérateur LN (N=1,2,3,4,6)
Opérateur rotaon d’ordre N = symétrie par
rotaon d’un angle 2π/N par rapport à un axe
Opérateur P
Opérateur réexion P = projecon orthogonale par
rapport à un plan
Opérateur C
Opérateur d’inversion C = projecon par rapport à
un point
7 systèmes : cubique, quadraque, orthorhombique, rhomboédrique, monoclinique, triclinique, hexagonal
Mode de réseau = nombre et posions des nœuds au sein de la maille caractérisque
4 modes : primif (P), intérieurement centré (I), toutes faces centrées (F), face centrée (A,B ou C)
Associaon 4 modes et 7 systèmes donne 14 réseaux de Bravais
Indices de Miller : orientaon des plans cristallins
Indices de direcon : direcons dans un cristal
Cristal = empilement ordonné atomes, ions ou molécules appelés « mofs »
Plan nodal, direcon nodale (ou réculaires) : dénies par 3 ou 2 nœuds du réseau
Repérage d’une direcon : vecteur directeur

Repérage d’un plan :
3 nœuds A1 (p,0,0), A2 (0,q,0), A3 (0,0,r)
Équaon du plan : x/p + y/q +z/r = 1
h=ppcm(pqr)/p
k=ppcm(pqr)/q
l=ppcm(pqr)/r
Coecients eners = indices de Miller
• Classes des matériaux : en foncon de leur structure (composion)
• Liaison métallique ⇒ mise en commun des électrons de la couche périphérique, bande de
conducon, non direconnelle, caractère ducle, grande compacité, faible module d’élascité G
Matériaux ducles : métaux et alliages métalliques
• Liaison covalente ⇒ mise en commun de 2 électrons de la bande de valence pour compléter couche
externe de chaque atome, très direconnelle, caractère fragile, faible compacité, grand module
d’élascité
Matériaux fragiles : céramiques et matériaux minéraux
• Liaison ionique ⇒ transfert d’un électron d’un atome à l’autre, non direconnelle mais présence de
caons et anions impose un équilibre électronique local permanent
Solides métalliques, ioniques,
covalents
Liaisons intermoléculaires fortes
Cuivre, sel ou calcite ou
uoarine, diamant ou silice
Solides moléculaires
Liaisons intermoléculaires faibles
Neige carbonique, cellulose,
sucre, nylon, latex, graphite
La calcite = minéral chimique composé de CaCO3 et traces de Mn, Fe, Zn…
La uorine = CaF2 avec traces de Y, Ce, Si ... + traces organiques
Silice = SiO2 + autres atomes (Al, Fe, Mg…)= Silicates

Résumé : propriétés physico-chimiques et propriétés d’usage liées à la nature des liaisons chimiques
Matériaux métalliques : métaux purs et alliages ⇒ liaisons métalliques
Matériaux organiques : origine biologique, polymères et élastomères naturels ou de synthèse ⇒ liaisons
covalentes et liaisons faibles
Matériaux minéraux : roches, oxydes, verres minéraux, céramiques : liaisons ioniques et/ou covalentes
Matériaux composites : associaon structurée de matériaux diérentes
2.1 Les métaux
Bandes d’énergie : les niveaux énergéques des électrons se divisent en 2 niveaux pour respecter le
principe d’exclusion de Pauli. Si le nombre d’atomes augmente, ces 2 niveaux se subdivisent eux-mêmes et
donnent les bandes d’énergie.
Dernière bande remplie = bande de valence
Bande supérieur = bande de conducon
Bande d’énergie entre les 2 = bande interdite ou gap ⇒ valeur de son énergie xe propriétés électriques
Généralités :
Solides cristallins dans CNTP, sauf Hg ; NO posif

A l’état naturel sous forme :
- Associée à des éléments non-métalliques :
o Oxydes, dans des minerais : bauxite (Al), hémate (Fe), ilménite, anatase, rule (Ti)
o Sulfures, pyrites (FeS2) ou sulfates
- Pure ou associée à des éléments métalliques (alliages)
o Métaux nafs : métaux habituels + métaux nobles (résistent à corrosion et oxydaon)
englobant les métaux précieux (Au, Ar, Pt), métaux nobles sont soit purs soit associés au
plane (planoïde)
Oxydes métalliques :
Comportement semi-conducteur (entre 400 et 800°C), capteurs de gaz, autoneoyants (photocatalyse),
électrochromes (colorent feu d’arce ou émail (substance vitreuse à base de silice))
Dioxyde de tane (TiO2) : pigment et opaciant
Pyrite (FeS2) : pierre à feu, système cristallin cubique
Alliages : combinaison d’un élément métallique avec un ou plusieurs autres éléments chimiques
Métal pur faibles caractérisques mécaniques ⇒ renforcement mécanique (écrouissage, durcissements
chimiques ou phases secondaires durcissantes), résistance à la corrosion
Alliage = métal de base + éléments d’alliage (=d’addion) + impuretés
Éléments d’alliage = souvent métaux mais aussi autres comme carbone dans acier ou la fonte, le silicium
dans l’aluminium
Alliages binaires à une seule phase : totalement solubles l’un dans l’autre, ex : Bi-Sb ou Cu-Ni
Défaut de solubilité (Cu-Ni) secteur où cohabitent 2 phases
Alliage Cu-Ag :