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Performances des matériaux et leur
structure (Liaisons chimiques)
Amor Guidoum
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1.1 Propriétés des matériaux et leur structure
Performances Microstructures
Procédés Structure Propriétés Fonctions
Science et génie des matériaux :
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Exemple : Oxyde d’aluminium Al2 O3
1. Crystal simple (alumine) transparent
2. Polycristal
très dense (non poreux) translucide
3. Polycristal
(porosité
5%) opaque
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1.3 La classification des mat1.3 La classification des matéériauxriaux
Les matériaux peuvent être classés selon :
• leur composition chimique
• leur structure atomique (arrangement des atomes)
• leurs propriétés
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Les propriLes propriééttéés des mats des matéériauxriaux
•
Les propriétés mécaniques
qui reflètent le comportement des matériaux déformés par des forces
•
Les propriétés physiques
qui mesurent le comportement des matériaux soumis à
l’action de la température, des
champs électriques
ou magnétiques
ou de lumière.
•
Les propriétés chimiques
qui caractérisent le comportement des matériaux dans un environnement réactif
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1.2 Abondance des matériaux et la composition de la croûte
terrestre
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Composites
Polymères(plastiques)
1.3 La classification des mat1.3 La classification des matéériaux (selon structure)riaux (selon structure)
Métaux etalliages
Céramiques
Fibres de carbone + époxydes
Fils
d’a
cier
+ c
aout
chou
cBéton arm
é
Fibres de verre + polyesters
Cobalt + carbure
Liaisons métalliques
Liaisons covalentes Liaisons faibles (Van der Waals, Liaison Hydrogène) Liaisons fortes
(covalente + ionique)
Biomatériaux
Semiconducteurs
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1.4.1 Force et énergie de liaison
Rép
ulsi
on (
+)
Attr
actio
n (-
)
0r0F
orce
Force attractive
Force répulsive
1.4 Cohésion du matériau et liaisons
; ; 0
liaison inonique : 2 ; 7 10
A Ba b
A BF F a br r
a b
= − = + < <
= < <
0 0
0
A l'équilibre : ( )
: Energie de liaison ou de cohésion
r r
P A B A B
P
E E E F dr F dr
E r E
E
∞ ∞= + = +
=∫ ∫
Ene
rgie
pot
entie
lle
Rép
ulsi
on (
+)
Attr
actio
n (-
)
0r0 Distance interatomique
E0
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1.4.1 Force et énergie de liaison
•
E0
•
La forme de la courbe•
du type de liaison
•
Exemples : –
Etat solide, liquide et gazeux
–
Rigidité
mécanique (pentes à
ro
)–
Expansion thermique (profondeur du puits )
Ene
rgie
pot
entie
lle
Rép
ulsi
on (
+)
Attr
actio
n (-
)
0r0 Distance interatomique
Rép
ulsi
on (
+)
Attr
actio
n (-
)
0r0F
orce
Force attractive
E0
Force répulsive
1.4 Cohésion du matériau et liaisons
Bons nombre de propriétés dépendent de :
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1.4.2 Types de liaison
Deux types de liaisons :
•
liaison primaire ou chimique
(forte):
seulement les couches d’électrons externes de l’atome sont impliquées. La condition couche vide/pleine est remplie (ionique, covalente, métallique)
•
liaison secondaire ou physique (faible)
: plus faible que les liaisons primaires, influence les propriétés physiques du matériau (Van der Waals, hydrogène), Energies entre 4 et 40 kJ/mol
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1.4.3 Liaison ionique (électrons volés)
Cl Na
-
-
-
--
-
-
-
Cl - Na+
-
-
-
--
-
-
-
e-
liaison forte dans le solide, 600-1500 kJ/mole
Liaison plus faible dans l’eau, 41 kJ/mole
La victime : Na ; Le voleur : Cl
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1.4.3 Liaison ionique (électrons volés)
Isotrope ou non orientée ou non directionnelle (champ d’attraction sphérique)
Prédominante dans les céramiques
Halogénures alcalins (NaCl, KCl, ...), Alcalino-terreux (MgCl2, CaCl2, BaCl2, …)Majorité
des oxydes (céramiques) MgO, CaO,…
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1.4.4 Liaison covalente• liaison forte (200-700kJ/mole)•
partage de 1 ou plusieurs paires
électrons pour compléter leur couche électronique extérieure à
8
électron•
Ex. molécules d’éléments non
métallique :O2, N2,
CH4
, diamant•
Molécules avec atomes
dissimilaires: CH4
, H2
O, HNO3, SiO2
H
CH
H
H
orientée ou directionnelle
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1.4.5 Liaison métallique
Illustration schématique de liaison métallique
+++ + + +
+ + ++ + +
Energie de liaison : 70 à
850 kJ/mole
•
Les électrons périphériques ne sont plus attachés à
un atome
• Ils sont délocalisés dans le solidesous forme de nuage qui
assure
la cohésion Caractère isotrope
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1.4.6 Liaisons secondaires
Liaison d’hydrogène•
Cas spécifique de van der Waals
•
Dans les molécules où
H
est lié
par covalence
•
H2O, NH3(azote), HF
•
Faible : 50 kJ/mole
Liaison van der Waals•
Proviennent des dipôles atomiques ou moléculaires
•
Existe entre tous les atomes, mais non significative en présence de liaisons primaires
•
Liaison faible 8-31 kJ/mole
•
Prédomine dans les gaz rares
•
Dans les structures moléculaires liées par covalence
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1.4.7 Liaison mixte ou hybride : le cas du carbone et du graphite
Graphite Diamant
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Caractère mixte ou hybride des liaisons atomiques
Covalente
Ionique
MétalliqueVan der Waals
SiO2
mica
Diamant, Si, Ge
Fe, Ni, Co
H2
O,
N2
, Cl2
grap
hite
Poly
mèr
es
Cu, Na, Ag
NaCl, MgO, Al22 OO33
Cér
amiq
ues
Métaux
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Energies de liaisons et températures de fusion de diverses substances
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Résumé
•
Les propriétés chimiques des éléments ne sont fonctions que leurs électrons périphériques (de valence)
•
Les liaisons chimiques sont essentiellement de nature électrostatiques : ioniques, covalente et métallique
•
La liaison ionique a un caractère isotrope par transferts d’électrons
•
La liaison covalente : partage d’électrons de valence, caractère orienté
•
La liaison métallique : isotrope, nuage d’électrons qui assurent la liaison entre les ions métalliques.
•
La nature des liaisons détermine en grande partie les propriétés des phases condensées (solide ou liquide) : ductilité
des métaux, fragilité
des
céramiques, transparence, conductivité, comportements des polymère, etc..
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Testez vos connaissances! (1)
•
La classification des matériaux est basée sur :A) l’abondance relative des éléments
B) la structure à
l’échelle atomique
C) le type de défaut existant dans les matériaux
•
La liaison ionique est formée par le partage des électrons de 2 atomesA) Vrai
B) Faux
•
La nature électrostatique des liaisons les rendA) non-directionnelle
B) Faible
•
La liaison entre les atomes dans la molécule d’hydrogène est appelée la «
liaison hydrogène »
A) Vrai
B) Faux
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•
La température de fusion élevée résulte de :A) force de liaison faibleB) force de liaison forteC) conductivité
électrique forte
D) la présence des liaisons secondaires
•
Dans le graphique ci-contre la liaison est :
A) ionique
B) covalent
C) van der Waals
D) métallique
•
Le graphite est un bon lubrifiant car:
A) les feuillets d’atome sont liées ensemble par des liaisons covalentesB) les atomes dans les feuillets sont liés ensemble par des liaisons covalentesC) Les feuillets sont liés les uns aux autres par des liaisons de van der Waals
Testez vos connaissances! (2)
O -- Mg++
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Liaison ExempleNature de la liaison
Temp. fusion
Dilata- tion Therm.
Rigidi- té (E)
Conduct . Élec.
Ducti- lité
Coval. Diamant
Ionique NaCl
Méttal. Cu,Na,
V.WallsH2,Cl2,CH4
Liaisons et propriétése : elevé, m: moyen, f : faible
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1.5 Structure et organisation des solides Matériaux cristallins, Matériaux amorphes
•
1.5.1 Monocristal
Cristal réel : arrangement régulier et périodique+ défauts
Cristal idéal : L’arrangement réguliers’étend à
l’infini.
lacunes
Défautsauto-interstitiels
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•
1.5.1 Exemple : Silicium
Poudre de silicium
Polycristal
de silicium
Monocristal de silicium
Diamant de silicium
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Les quatorze réseaux spatiauxde Bravais
: quatorze façons de distribuer périodiquement des points dans l’espace
Ces réseaux sont répartis en sept systèmes cristallins
qui diffèrent entre eux par leurs éléments de symétrie.
Les réseaux cristallins
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1.5.2 Matériaux polycristallinsCristallite
(grain)
Joint degrain
Section d’un lingot deplomb polycristallin
très pur
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1.5.2 Matériaux polycristallins
(a), (b), (c)Schémas des diverses étapes de la solidificationd’un matériau polycristallin
(d)Représentation de la structure granulaireLes ligne sombres sont Les joints de grains
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1.5.3 Matériaux amorphes
Structure amorphe : • dense et peu structurée• Similaire à
celle des liquides
• Certaine périodicité
à
petite distance
Schémas bidimensionnel : (a) SiO2
cristallin, (b) SiO2
amorphe
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1.5.3 Matériaux amorphes
Structure du verrede silicate de sodium(ordinaire)
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Résumé
•
Structure amorphe : •
dense et peu structurée
•
Similaire à
celle des liquides
•
Certaine périodicité
à
petite distance (qq
diamètres
atomiques, ordre à
courte distance)
•
Verres minéraux, verres métalliques, polymères
•
Structure cristalline : •
Distribution périodique des atomes ordonnées à
grande
distance (ordre à
longue distance par rapport au rayon
atomique)•
Matériaux métalliques, grand nombre de céramiques, polymères semi-cristallins.
•
Détermination : par les phénomènes de diffractions (Diffraction X (Bragg), électrons, neutrons)
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•
Un solide dans lequel les atomes similaires sont dans des positions similaires par rapport à
leur voisinage est un solide
A) polycristallin
B) amorphe
C)monocristallin
•
Un matériau cristallin contient toujours:A) des cristaux de différentes compositions chimiques B) des cristallites de même composition mais avec des structures différentesC) Des cristallites avec différentes orientations
•
Lorsqu’on parle d’un solide avec un ordre à
longue distance, c’est en comparaison avec la taille :
A) d’un électron
B) d’un atome
C) d’une cristallite
Testez vos connaissances! (3)
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1.6 Céramiques Keramikos
(substances brûlées)
•
Matériaux inorganiques combinaison d’éléments métalliques(Mg, Fe, Al,…) et non métalliques (souvent oxygène) (oxydes métalliques),
•
Réfractaire, grande dureté, grande inertie chimique, •
Faible conductivités thermique, électrique,
•
Semi conductivité•
Supraconductivité
•
Fragilité, faible résistance au choc thermique
• Silicates• Verres minéraux• Béton de ciment• Céramiques techniquesà
haute résistance mécanique et
thermique
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1.6 Cristaux ioniques (céramiques)
•
La valence( nombre de charge)•
Le caractère ionique joue un rôle
important (électronégativité)•
La taille relative des ions Rc/Ra
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1.6 céramiques, cristaux ioniques
Chlorure de Sodium NaClCFC
Chlorure de césium CsClCubique simple
Fluorine CaF2Cubique simple
Pérovskite BaTiO3CFC
Sulfure de zinc (blende) ZnSCFC
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1.6 céramiques de silicates
Schémas 2D: (a) SiO2 cristallin, (b) SiO2 amorphe Verre ordinaire, amorphe
Cristobalite, SiO2
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1.6 céramique, carbone
Graphite Fullerène, C60Diamant
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1.7 Métaux et alliages
•
Structure cristalline •
Grande ductilité
•
Grande ténacité•
Opacité
et éclat métallique
•
Bonne conductivités thermique, électrique,
Cubique à
faces centréesCFC, 0.74 (compacité)
Cubique centréeCC, 0.68
Hexagonale compacteHC, 0.74
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1.8 Polymères
•
Très grosses molécules (plusieurs centaine de milliers d’atomes)
•
Des chaînes •
Composés organiques basés sur carbone, hydrogène et d’autres éléments non métalliques
•
Thermoplastiques (linéaires), molécules de taille limitée
•
Réticulés (3D), une seule macro-molécule
(thermodurcis, élastomères)
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1.9 Matériaux composites•
2 ou 3 types de matériaux peuvent être combinés pour former des composites avec les meilleures caractéristiques de chaque composant: résine époxyde renforcée de fibre de verre composite léger à
haute résistance, béton