La présentation est en train de télécharger. S'il vous plaît, attendez

La présentation est en train de télécharger. S'il vous plaît, attendez

LES MATERIAUX INORGANIQUES : Métaux, Céramiques Composites, Multi-matériaux Des domaines scientifiques et des secteurs industriels en perpétuelle évolution.

Présentations similaires


Présentation au sujet: "LES MATERIAUX INORGANIQUES : Métaux, Céramiques Composites, Multi-matériaux Des domaines scientifiques et des secteurs industriels en perpétuelle évolution."— Transcription de la présentation:

1 LES MATERIAUX INORGANIQUES : Métaux, Céramiques Composites, Multi-matériaux Des domaines scientifiques et des secteurs industriels en perpétuelle évolution Myriam SACERDOTE - PERONNET Bâtiment Berthollet (3ème étage) Université Claude Bernard – Lyon I UFR de Chimie-biochimie

2 Vous trouverez dans cette présentation des informations complémentaires à ce qui vous a été projeté en Amphi Nhésitez pas à me contacter si vous souhaitez des précisions sur certains points Vous pouvez venir voir des exemples de réalisation de pièces

3 Matériaux organiques dorigine naturelle ou synthétique. Matériaux minéraux ou inorganiques : verres, ciments, céramiques, métaux. Matériaux composites et multi-matériaux. Exposé de Philippe Chaumont Exposé dAlain Domard Exposé de Myriam Sacerdote-Peronnet Conférences complémentaires proposées en L1 sur les matériaux

4 UN RAPIDE SURVOL DE NOTRE HISTOIRE … Matériaux et Evolution de lHumanité

5 Un peu dHistoire… Les différents Ages marquant lévolution de lhumanité portent le nom des matériaux utilisés Ils témoignent à la fois des besoins et des savoir-faire Age de la Pierre av JC Age de la Pierre polie av JC Age du cuivre Age du bronze (Cu – Sn) Pierre taillée Travail du Silex, du Quartz Argile cuite Céramiques Cuivre, Plomb, Etain Premiers métaux extraits de leur minerais Fusion du métal : début de la Métallurgie Remplacement du bois et de la pierre Epées, casques Statues, bijoux Age des métaux à 1900 Paléolithique Néolithique : sédentarisation de lhomme évolution plus rapide quau Paléolithique

6 Age du fer ( -2000) Age des métaux à 1900 Métallurgie du fer = Sidérurgie Au XIII ème sièle : 7 métaux connus Or, Argent, Cuivre, Fer Mercure, Etain, Plomb Au XXème siècle :Rapide avancée des technologies Matériaux et Procédés nouveaux Développement des composites et des multi-matériaux Aujourdhui, nous ne sommes plus à lâge dun seul matériau, mais à lâge dun éventail immense de matériau Gamme très étendue de matériaux et de procédés Evolutions très rapides Age des matériaux Avancés

7 COMMENT DEFINIR UN MATERIAU ?

8 Un matériau répond à un besoin Un matériau est le résultat des transformations de la matière queffectuent lhomme pour satisfaire différents besoins Un matériau peut aussi résulter dune idée innovante Un matériau est de la matière fonctionnalisée Matériau = Matière + Fonction Propriétés intrinsèques Forme de la pièce Procédés Composant Un objet industriel (matériel) résulte de lassemblage de plusieurs composants Alliages dAluminium Pistons Culasse… Carbone MatièresMatériauxObjet industriel Véhicule de compétition (Formule 1) Disques de freins

9 Besoin ou Idée innovante Nouveau matériau Nouveau produit Nouveau matériau Améliorations sur un produit existant Peut nécessiter de changer de matériau Innovation Le matériau perdure sil présente un cycle de vie favorable Emergence et Développement dun matériau

10 1 – Axe technique (non économique) 2 – Axe économique 3 – Axe marché 4 – Axe de développement « soutenable » Daprès Conférence J.C. Prévost et Y. Bertaud Agence Rhône-Alpes pour la Maîtrise des Matériaux Épée Bouclier Télévision Magnétoscope Développement dun matériau remplissant la même fonction, moins chère Demande du marché en adéquation avec les conditions économiques de production Matériau en adéquation avec les préoccupations sociétales Réglementation (environnement) Cycle de vie favorable

11 MATIERES INORGANIQUES METAUX ET CERAMIQUES CONSTITUTION ET PROPRIETES

12 CONSTITUTION DES METAUX ET CERAMIQUES Brique élémentaire : atomes – éléments chimiques Motif élémentair le élémentaire Macromolécules Répétition dun même motif Matières plastiques Etat amorphe Liaisons interatomiques fortes Polycristaux Liaisons fortes Liaisons faibles ou en partie amorphe et en partie cristallisé Liaison chimique Liaisons fortes Matières inorganiques Etat cristallisé Métaux – Céramiques verres

13 PROPRIETES DES METAUX ET CERAMIQUES Liaison chimie particulière : liaison métallique Les électrons des couches périphériques abandonnent leur atome respectif Atomes ionisés Nuage délectrons qui circulent librement dans le solide Propriétés spécifiques des métaux Bonne conductivité thermique Bonne conductivité électrique 1 – Les métaux

14 Température de fusion élevées Aluminium (Al)= 660 °C Magnésium (Mg)= 650 °C Fer (Fe) = 1538 °C Titane (Ti) = 1668 °C Densité élevée : Fe = 7,8 sauf certains métaux : Al, Mg, Ti Ti= 4,5 Al= 2,7 Mg= 1,7 compactes : CFC : Cubique à Faces Centrées HC : Hexagonal Compact Structures cristallines : Aluminium - CFC Températures de vaporisation élevées

15 Liaisons fortes et directionnelles (ionique – covalente) Les électrons ainsi liés ont du mal à se déplacer Isolants électriques Ce type de liaison met en jeu des énergies considérables, ce qui se traduit par : PROPRIETES DES METAUX ET CERAMIQUES 2 – Les céramiques une très bonne tenue en température des températures de fusion très élevées des températures de vaporisation très élevées

16 PROPRIETES MECANIQUES DES METAUX ET CERAMIQUES 1 - Elasticité et Plasticité Modes de déformation Elasticité : allongement élastique Modifications des distances entre atomes Augmentation uniforme et progressive de la distance entre les atomes Déformation réversible Métaux Elasticité élevée Céramiques Elasticité très élevée Plasticité : Si la force appliquée sannule, la déformation subsiste Déformation irréversible Métaux Bonne plasticité Céramiques Mauvaise plasticité

17 Ductilité : 2 – Ductilité, Tenacité, Fragilité Caractéristiques Tenacité (associé à fragilité) : Résistance aux déformations et à la rupture en présence dune fissure bonne capacité à se déformer dans le mode de déformation plastique Métaux bonne ductilité Céramiques mauvaise ductilité Métaux très bonne tenacité Céramiques très mauvaise tenacité (fragiles)

18 3 – Fluage et Fatigue Modes de sollicitations en service Fluage : Fatigue : matériau sollicité mécaniquement et à chaud sollicitation cyclique

19 COMPARAISON DES PROPRIETES DES METAUX ET CERAMIQUES PropriétéMétauxCéramiques ElasticitéElevéeTrès élevée PlasticitéOuiNon (peu) DuctilitéOuiNon (peu) TenacitéTrès tenaceTrès fragile Température utilisation Moyennes HautesHautes Très hautes Densité Moyenne elevée Moyenne Prix Faible ElevéElevé Faible (céramiques techniques)

20 CLASSIFICATION DES METAUX ET CERAMIQUES Cette classification est valable pour tous les matériaux organiques ou inorganiques

21 CLASSIFICATION Par secteur dutilisation Emballages alimentaires (canettes), Ustensiles de cuisine (casseroles) Transports : Automobile, Ferroviaire, Aéronautique, Secteurs de lAérospatiale Sports et loisirs (vélos, skis) Biomédical Art, Orfévrerie… Par fonctions Pièce conductrice délectricité Pièce résistante aux très hautes températures Par degré de nouveauté Les céramiques techniques Les alliages Haute Pureté (métaux) Les composites céramique/métal Les multimatériaux métal/métal ou métal/céramique Les matériaux supra-conducteurs Les nano-matériaux Par leur propriété prédominante Matériau lubrifiant colle… Par ségrégation chimique Métaux et céramiques (développés dans cet exposé), verres…

22 SECTEURS DUTILISATION 1 – Emballages alimentaires2 – Ustensiles de cuisine Canettes de boisson Matériaux : Acier, Alliage dAluminium Procédés : Emboutissage, Vernissage 1 machine = 10 canettes / seconde 1 million / jour Casseroles Matériaux : Inox, Alliage dAluminium Procédés : Emboutissage Assemblage (brasage) Multi-matériau métal / métal Base Fe / Base Al Casserole en métal ferreux Fond diffuseur en aluminium

23 3 – Secteurs des transports Automobile 1896 : Première voiture construite par Henry Ford 1903 : Première voiture vendue par Henry Ford 1925 : Premières voitures, construites par André Citroen, en grande série (modèles B10 et B12), dotées d'une carrosserie tout acier. Meilleure protection des passagers Volume habitable plus spacieux Carrosserie réparable par simple redressement. Carroserie : Squelette en bois + Tôles rivetées : Premier moteur construit par Henry Ford

24 3 – Secteurs des transports LAutomobile aujourdhui Métaux ferreux Alliages daluminium Alliages de magnésium Priorité : Allégement Diminuer la consommation Diminuer lémission des gaz polluants Alliages métalliques Base Fer (Fontes, Aciers) Base Al (Al-Si, Al-Cu) Céramiques Composites Multi-matériaux ex : pistons (Fe / Al)

25 Pistons Culasse Freins Jantes Bloc-cylindres Au niveau du moteur Au niveau des suspensions Au niveau de lHabitacle Pièces non sollicitées mécaniquement et thermiquement Au niveau de la carrosserie

26 3 – Secteurs des transports Aéronautique civile FuselageRéacteur Sollicitations thermiques et mécaniques très importantes

27 3 – Secteurs des transports Aéronautique militaire

28 4 – Secteurs de lAérospatiale Lanceurs spatiaux Satellites Missiles Matériaux de très hautes Performance Conditions extrêmes Composites thermostructuraux SiC / SiC - C / C

29 5 – Sports et Loisirs Cadres :Acier Aluminium Carbone Titane Bois toujours utilisé : combler le vide maintenir le poids du ski sur la neige donne au ski toute sa force et sa rigidité. Vélos Skis Raquettes « boîte de torsion » en métal monocoque stratifiés Autres matériaux étudiés : Titane, Carbone, Fibres de bore Fer, Aluminium (ou fibre de verre)

30 6 – Secteurs du biomédical 1 : Os Iliaque 2 : Cotyle 3 : Tête 4 : Col 5 : Fémur Prothèses de hanches Prothèses du genou Implants dentaires Tête Cotyle Polyéthylène Titane Multi-matériaux 1.Fémur 2.Tibia 3.Rotule 4.Ménisque 5.Capsule articulaire 6.Ligament latéral 7.Ligament croisé antérieur 8.Ligament croisé postérieur. Titane + Oxyde de titane Cobalt-Chrome Titane recouvert dalumine (Al 2 O 3 ) Zircone Bio-compatibilité Bonne tenue à lusure, au frottement

31 7 – Art, Orfévrerie Moulage

32 DE LA MATIERE AU MATERIAU PROCEDES DE TRANSFORMATIONS

33 DE LA MATIERE AU MATERIAU MatièreMatériau Procédés de transformations 1 – Procédés de mise en forme 2 – Procédés de mise en oeuvre Deux grandes classes de procédés

34 1 – Procédés de mise en forme Pour réaliser une pièce remplissant une fonction, il faut donner à la matière une certaine forme : - plus ou moins complexe - plus ou moins précise - plus ou moins bien finie On distingue : Les procédés primaires Donnent la forme générale de la pièce Les procédés secondaires Modifient la forme générale Exemple : Polissage, usinage Exemple : moulage des métaux Enchaînement dun procédé primaire avec un ou plusieurs procédés secondaires afin datteindre la qualité de pièce voulue Objectif : limitation du nombre de procédés

35 2 – Procédés de mise en oeuvre Une fois la pièce ainsi réalisée, il faut lui faire subir des traitements supplémentaires pour : - la fonctionnaliser - la connecter à dautres composants de lobjet industiel Conférer à la pièce des propriétés que la forme ou le matériau ne sont pas capables de remplir Exemples :Améliorer la tenue à la corrosion Augmenter la résistance à lusure Traitements thermiques Traitements de surface Procédés dassemblage

36 PROCEDES DE MISE EN FORME DES METAUX 1 – Le forgeage ou corroyage 2 – Le laminage Mise en forme à chaud par des efforts de pression et de percussion Mise en forme à chaud ou à froid Passage dune pièce de métal entre deux cylindres, dont lécartement est inférieur à lépaisseur initiale de la pièce Ecrouissage du métal

37 3 – Le filage 4 – Le tréfilage Mise en forme à chaud Le métal est poussé dans un orifice appelé filière. Obtention de profilés, de tubes Mise en forme à chaud Par traction du métal à travers une filière Passages successifs dans des filières de diamètre décroissant Obtention des fils

38 5 – Emboutissage ou Formage Déformation dune tôle plane appelée Flan en une surface complexe à laide dune matrice fixe et dun poinçon actionné par une presse Mise en forme à froid Métaux très ductiles Aluminium Laiton Cuivre Mise en forme à chaud Métaux moins ductiles Titane : 300 – 500°C

39 6 - Moulage Procédés de fonderie 1 - Fusion de lalliage Etat liquide lingots 2 - Fusion de lalliage Refroidissement Etat semi-solide billettes ThixomoulageAlliages de magnésium Diminution des risques dinflammation du métal Remplissage dun moule moule en sable moule en cire perdue moule métallique Sans pression (coulée gravité) Avec pression (injection) 7 - Frittage cf diapositive suivante

40 PROCEDES DE MISE EN FORME DES CERAMIQUES Métallurgie des poudres Ensemble des procédés délaboration utilisés pour les métaux et les céramiques 1 – Compression à froid 2 – Compression isostatique à chaud Pièces en grandes séries Engrenage, plaquettes dusinage… Pièces mécaniques à haute valeur ajoutée Aéronautique, Aérospatiale, Nucléaire

41 Matériau Choix du matériau Conception Désign Matière Propriétés intrinsèquesPropriétés attribuées Propriétés chimiques et physiques - électriques - thermiques - optiques Propriétés mécaniques - rigidité/fragilité - ductilité - fatigue - fluage Propriétés de surface Corrosion Propriétés de production -Élaboration -Transformation -Assemblage - réparation Coût et disponibilité Aspects environnementaux -Nuisance des procédés -Nuisance du bruit -Recyclabilité - Valorisation des déchets

42 DES MATERIAUX A LOBJET INDUSTRIEL

43 DU MATERIAU A LOBJET INDUSTRIEL Objet industriel Avion AilesFuselageRéacteursHabitacle Assurer la portance Assurer la force motrice Assurer le confort des voyageurs Assurer la stabilité Décomposition de lobjet en composants, aussi loin que nécessaire, pour identifier clairement : - leur fonction principale - leurs conditions dutilisation - leurs conditions de sollicitations mécaniques et/ou thermiques « on ne crée pas un matériau pour construire un avion » Conception – Elaboration de chaque composant Assemblages des composants Objet industriel

44 CONCEPTION quelques généralités… ETAPES DE LA PROCEDURE DE SELECTION Des Matériaux Des Procédés

45 LES DIFFERENTES CLASSES DE CONCEPTION 1 - Conception originale « Qui démarre pour ainsi dire de rien » Idée innovante Nouveau principe de fonctionnement Disques vynils disques compacts Stylo plume stylo bille 2 - Conception adaptative Part dun concept déjà existant Recherche dune amélioration en affinant son principe de fonctionnement Skis : Bois Métaux, composites à fibres de carbone Appareils électroménagers : Métaux Polymères

46 LES DIFFERENTES CLASSES DE CONCEPTION 3 - Conception de variation ou Conception dérivée Changement de taille (changement déchelle, de dimension) Amélioration de détail sans changement de la fonction Ceci peut nécessiter un changement de matériau Petits bateaux : composites à fibres de verre Grands bateaux : Acier

47 PROCEDURE DE SELECTION Point de départ :idée innovante besoin du marché Première étape : Définir précisément le besoin à satisfaire « Il nous faut réaliser une pièce qui remplisse telle fonction » Développer des concepts qui peuvent potentiellement remplir la fonction demandée Envisager tous les concepts

48 Deuxième étape : Schéma de faisabilité Analyse de chaque concept pour définir grossièrement : - La taille des pièces - Les contraintes auxquelles elles sont soumises - Les températures de fonctionnement Sélection des classes de matériaux pouvant être utilisés dans ces conditions

49 Troisième étape : Etape de conception détaillée Analyse détaillée de chaque composant critique Choix définitif de la forme et des matériaux utilisés Choix définitif des procédés

50 Quatrième étape : Analyse des aspects de production Analyse des coûts Spécifications de production

51 MATERIAUX COMPOSITES ET MULTI-MATERIAUX

52 Formation et croissance dune zone de réaction renfort matrice Matériaux composites et multimatériaux à linterface renfort / matrice renfort et matrice intimement liés à léchelle microscopique nature, morphologie, composition, épaisseur des interphases Propriétés - performancesQualité de linterface

53 spécifiquement adaptés à lusage que lon veut en faire MATERIAU COMPOSITE et MULTI-MATERIAU Caractéristiques - Propriétés Du type de renfort : nature, composition, texture Du type de matrice : nature, composition, texture De la part relative du renfort et de la matrice dans la structure Du procédé employé pour aboutir au produit fini De la qualité de linterface Du coût : couple prix/performance dépendent

54 Renfort : Dimension microscopique (microns) Particules, Fibres renforcement de la matrice en volume par dispersion uniforme Renfort : Dimension macroscopique assure une fonction de renforcement local Insert MATERIAU COMPOSITEMULTI-MATERIAU Multi-matériau Métal / Métal Composite Céramique / Métal SiC Al fonte Al-Si Application : aérospatiale Application : automobile

55 Matériaux composites et multimatériaux Multitudes de systèmes pouvant être envisagés : Métal / Métalex :Fe / Al, Fe / Mg Céramique / Métalex :SiC / Al, C / Al, C / Mg Céramique / Céramiqueex :SiC / SiC, C / C Métal / Polymères Polymères / Polymères

56 EXEMPLE DAPPLICATION DUN MATERIAU COMPOSITE Céramique / Céramique Fabrication dun disque de freins en carbone

57 Phase 1 – Fabrication et tissage des fibres Préforme Matière de départ : carbone blanc PAN (Poly Acrylo Nitrile) Il devient noir grâce à un traitement thermique On le tisse selon un procédé textile complexe pour lui donner la forme dun disque (le disque est encore fragile, poreux). EXEMPLE DUN MATERIAU COMPOSITE Freins en carbone PAN Fibres disque

58 Phase 2 – Carbonisation et densification On place la préforme dans un four de densification pendant deux périodes de trois semaines à des températures environnant 1000 °C et à de très basses pressions en injectant des gaz riches en hydrocarbures qui se transformeront en carbone Porosités comblées Formation dun composite carbone – carbone

59 Phase 3 – Usinage : Usinage du composite carbone – carbone afin de lui donner sa forme finale Disques Plaquettes Étriers Disque de frein avant usinage Fonctionnement en températures extrêmes jusquà 2500 °C

60 Températures dutilisation jusqu'à °C Capacité de fonctionnement dès les basses températures suffisamment progressif pour être utilisée par Monsieur ''Tout le monde'' Insensible à la corrosion Le disque en céramique est deux fois plus léger que le disque classique. Gain de poids de 16 kg pour l'ensemble de la voiture pour des disques de 350 mm de diamètre Dureté proche de celle du diamant Durée de vie de km Nouveaux freins développés par Porsche et Mercedes Traitement particulier de fibres de carbone et de silice à °C

61 EXEMPLE DAPPLICATION DUN MULTI-MATERIAU Métal / Métal Pièce de suspension en aluminium avec un insert en fonte

62 Propriétés détanchéité Amélioration des caractéristiques mécaniques Allégement des pièces de structure Métaux ferreux d = 7,8 Alliages Al d = 2,7 Alliages Mg d = 1,7 mis à profit dans de nombreux secteurs : Transport, Aéronautique, Aérospatiale Concept de renforcement local par insert MULTIMATERIAU Piston fonte Al-Si Procédé de fonderie (coulée)

63 EXEMPLE DE REALISATION Al - Si Insert en fonte Procédé de fonderie Pièce de suspension: Renfort / Matrice insert fonte (base Fe)alliage daluminium (Al-Si) /

64 - défaut d'étanchéité - mauvaise conduction thermique - concentration de contraintes (matage) AS7G0,3 GS - pièce plus légère - liaison étanche - meilleure conduction thermique - équi-répartition des contraintes mécaniques AS7G0,3 GS Contrôle de la réactivité interfaciale Elaboration par insertion à la coulée Procédé de fonderie

65 ETAPES DE LA « VIE » DUN MATERIAU Cycle de vie « du berceau au tombeau »

66 Matière Choix du Matériau Choix des procédés Assemblages Utilisation en service Durée de vie Durabilité Recyclage Valorisation des déchets Approvisionnement en matières premières Conception Elaboration Transformations Caractérisations Réalisation du matériau Devenir après usage « Du berceau au Tombeau » « Du berceau au berceau » Matière organique vivante : composte

67 Cycle de vie Terme utilisé pour décrire lhistoire complète dun matériau « Du berceau à la tombe » intègre limpact dun matériau sur lenvironnement tout au long de sa vie Certification Eco-Label Norme Etude de chaque étape de la production Extraction des matières premières Elimination finale des résidus Incidences dun secteur dactivité sur un problème écologique mondial (changements climatiques) Comparaison de limpact sur lenvironnement dun secteur industriel par rapport à un autre Approche récemment développée

68 MATERIAUX INORGANIQUES DANS LINDUSTRIE Positionnement par rapport aux autres matériaux Emplois

69 Place des matériaux inorganiques dans lindustrie Industries des biens intermédiaires Statistiques en 2001

70 Emplois industriels

71 ACTIVITES DE RECHERCHE A LYON ET FORMATIONS PROPOSEES A LUCBL

72 Recherches à Lyon École Doctorale des Matériaux de Lyon 14 laboratoires reconnus par le CNRS à lUCBL, à lINSA, à lECL et à lENS. 100 étudiants niveau Bac + 5 (DEA) 120 étudiants en Thèse dont 40 financés par une allocation ministérielle

73 FORMATIONS MATERIAUX PROPOSEES A LUCBL CURSUS LICENCE (L1 – L2 – L3) 2 Licences Professionnelles Transformations des métaux : fonderie, moules métalliques L2 UE Chimie inorganique I UE Technologique : Métaux et Alliages L3 UE Chimie inorganique II UE Chimie inorganique – Chimie de coordination + UE Polymères Myriam Sacerdote-Peronnet Plasturgie et Matériaux Composites René Fulchiron Formation en Alternance

74 CURSUS MASTER (M1 – M2) Master Professionnel Industries des Matériaux (Myriam Peronnet) Master de Recherche Matériaux (Philippe Chaumont) Deux formations couplées Tronc commun au niveau M1 Formulation et Chimie Industrielle (Pierre Lantéri) Autre Master Professionnel


Télécharger ppt "LES MATERIAUX INORGANIQUES : Métaux, Céramiques Composites, Multi-matériaux Des domaines scientifiques et des secteurs industriels en perpétuelle évolution."

Présentations similaires


Annonces Google