LES MATERIAUX INORGANIQUES : Université Claude Bernard – Lyon I 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) Myriam.Peronnet@univ-lyon1.fr UFR de Chimie-biochimie

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

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

UN RAPIDE SURVOL DE NOTRE HISTOIRE … Matériaux et Evolution de l’Humanité

Un peu d’Histoire… Les différents Ages marquant l’évolution de l’humanité portent le nom des matériaux utilisés Ils témoignent à la fois des besoins et des savoir-faire Pierre taillée Travail du Silex, du Quartz Age de la Pierre → - 8000 av JC Paléolithique Age de la Pierre polie → - 5000 av JC Argile cuite → Céramiques Néolithique : sédentarisation de l’homme → évolution plus rapide qu’au Paléolithique Age des métaux → -5000 à 1900 Age du cuivre Cuivre, Plomb, Etain Premiers métaux extraits de leur minerais Fusion du métal : début de la Métallurgie Age du bronze (Cu – Sn) Remplacement du bois et de la pierre Epées, casques Statues, bijoux

Gamme très étendue de matériaux et de procédés Evolutions très rapides Age des métaux → -5000 à 1900 Age du fer ( -2000) 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 Aujourd’hui, nous ne sommes plus à l’âge d’un seul matériau, mais à l’âge d’un éventail immense de matériau Gamme très étendue de matériaux et de procédés Evolutions très rapides Age des matériaux Avancés

COMMENT DEFINIR UN MATERIAU ?

 Un objet industriel (matériel) résulte de l’assemblage de plusieurs COMMENT DEFINIR UN MATERIAU ?  Un matériau est de la matière fonctionnalisée Matériau = Matière + Fonction Propriétés intrinsèques Forme de la pièce Procédés Composant  Un matériau répond à un besoin  Un matériau peut aussi résulter d’une idée innovante  Un matériau est le résultat des transformations de la matière qu’effectuent l’homme pour satisfaire différents besoins  Un objet industriel (matériel) résulte de l’assemblage de plusieurs composants Alliages d’Aluminium Pistons Culasse… Carbone Matières Matériaux Objet industriel Véhicule de compétition (Formule 1) Disques de freins

Besoin ou Idée innovante Emergence et Développement d’un matériau Besoin ou Idée innovante Améliorations sur un produit existant Innovation Nouveau matériau Nouveau produit Peut nécessiter de changer de matériau Nouveau produit Nouveau matériau Le matériau perdure s’il présente un cycle de vie favorable

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

MATIERES INORGANIQUES CONSTITUTION ET PROPRIETES METAUX ET CERAMIQUES CONSTITUTION ET PROPRIETES

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

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

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

PROPRIETES DES METAUX ET CERAMIQUES 2 – Les céramiques  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 : une très bonne tenue en température des températures de fusion très élevées des températures de vaporisation très élevées

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

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

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

Température utilisation COMPARAISON DES PROPRIETES DES METAUX ET CERAMIQUES Propriété Métaux Céramiques Elasticité Elevée Très élevée Plasticité Oui Non (peu) Ductilité Tenacité Très tenace Très fragile Température utilisation Moyennes  Hautes Hautes  Très hautes Densité Moyenne  elevée Moyenne Prix Faible  Elevé Elevé  Faible (céramiques techniques)

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

CLASSIFICATION  Par ségrégation chimique  Par secteur d’utilisation Métaux et céramiques (développés dans cet exposé), verres…  Par secteur d’utilisation Emballages alimentaires (canettes), Ustensiles de cuisine (casseroles) Transports : Automobile, Ferroviaire, Aéronautique, Secteurs de l’Aérospatiale Sports et loisirs (vélos, skis) Biomédical Art, Orfévrerie…  Par degré de nouveauté  Par fonctions Pièce conductrice d’électricité Pièce résistante aux très hautes températures 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…

Inox, Alliage d’Aluminium Acier, Alliage d’Aluminium SECTEURS D’UTILISATION 1 – Emballages alimentaires 2 – Ustensiles de cuisine Casseroles Matériaux : Inox, Alliage d’Aluminium Casserole en métal ferreux Fond diffuseur en aluminium Canettes de boisson Multi-matériau métal / métal Base Fe / Base Al Matériaux : Acier, Alliage d’Aluminium Procédés : Emboutissage, Vernissage Procédés : Emboutissage Assemblage (brasage) 1 machine = 10 canettes / seconde 1 million / jour

3 – Secteurs des transports Automobile  1893 : Premier moteur construit par Henry Ford  1896 : Première voiture construite par Henry Ford  1903 : Première voiture vendue par Henry Ford Carroserie : Squelette en bois + Tôles rivetées.  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.

3 – Secteurs des transports L’Automobile aujourd’hui Alliages métalliques Base Fer (Fontes, Aciers) Base Al (Al-Si, Al-Cu) Céramiques Composites Multi-matériaux ex : pistons (Fe / Al)  Diminuer la consommation  Diminuer l’émission des gaz polluants Priorité : Allégement Métaux ferreux Alliages d’aluminium Alliages de magnésium

Au niveau des suspensions  Au niveau du moteur Pistons Bloc-cylindres Culasse Au niveau des suspensions Jantes Freins  Au niveau de la carrosserie Au niveau de l’Habitacle Pièces non sollicitées mécaniquement et thermiquement

Sollicitations thermiques et mécaniques 3 – Secteurs des transports Aéronautique civile Fuselage Réacteur Sollicitations thermiques et mécaniques très importantes

3 – Secteurs des transports Aéronautique militaire

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

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

Multi-matériaux 6 – Secteurs du biomédical Prothèses de hanches Tête Prothèses de hanches Cotyle 1 : Os Iliaque 2 : Cotyle 3 : Tête 4 : Col 5 : Fémur Titane recouvert d’alumine (Al2O3) Multi-matériaux Polyéthylène Bio-compatibilité Bonne tenue à l’usure, au frottement Prothèses du genou Fémur Tibia Rotule Ménisque Capsule articulaire Ligament latéral Ligament croisé antérieur Ligament croisé postérieur. Implants dentaires Titane + Oxyde de titane Zircone Titane Cobalt-Chrome

7 – Art, Orfévrerie Moulage

DE LA MATIERE AU MATERIAU PROCEDES DE TRANSFORMATIONS

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

d’un procédé primaire avec la qualité de pièce voulue 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 Enchaînement d’un procédé primaire avec un ou plusieurs procédés secondaires afin d’atteindre la qualité de pièce voulue On distingue : • Les procédés primaires Donnent la forme générale de la pièce Exemple : moulage des métaux • Les procédés secondaires Objectif : limitation du nombre de procédés Modifient la forme générale Exemple : Polissage, usinage

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 d’autres composants de l’objet 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 l’usure Traitements thermiques Traitements de surface Procédés d’assemblage

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

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

5 – Emboutissage ou Formage Déformation d’une tôle plane appelée Flan en une surface complexe à l’aide d’une matrice fixe et d’un 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

1 - Fusion de l’alliage  Etat liquide lingots 6 - Moulage Procédés de fonderie 1 - Fusion de l’alliage  Etat liquide lingots Remplissage d’un moule moule en sable moule en cire perdue moule métallique  Sans pression (coulée gravité)  Avec pression (injection) 2 - Fusion de l’alliage  Refroidissement  Etat semi-solide billettes Thixomoulage Alliages de magnésium Diminution des risques d’inflammation du métal 7 - Frittage cf diapositive suivante

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

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

DES MATERIAUX A L’OBJET INDUSTRIEL

Objet industriel Avion DU MATERIAU A L’OBJET INDUSTRIEL « on ne crée pas un matériau pour construire un avion » Objet industriel Avion Ailes Fuselage Réacteurs Habitacle Assurer la portance Assurer la stabilité Assurer la force motrice Assurer le confort des voyageurs Décomposition de l’objet en composants, aussi loin que nécessaire, pour identifier clairement : - leur fonction principale - leurs conditions d’utilisation - leurs conditions de sollicitations mécaniques et/ou thermiques Conception – Elaboration de chaque composant Assemblages des composants Objet industriel

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

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 d’un concept déjà existant Recherche d’une amélioration en affinant son principe de fonctionnement Skis : Bois  Métaux, composites à fibres de carbone Appareils électroménagers : Métaux  Polymères

Amélioration de détail sans changement de la fonction LES DIFFERENTES CLASSES DE CONCEPTION 3 - Conception de variation ou Conception dérivée Changement de taille (changement d’échelle, 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

Développer des concepts qui peuvent potentiellement remplir 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

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

Choix définitif de la forme des matériaux utilisés 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

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

MATERIAUX COMPOSITES ET MULTI-MATERIAUX

Matériaux composites et multimatériaux renfort matrice Formation et croissance d’une zone de réaction à l’interface renfort / matrice Propriétés - performances Qualité de l’interface renfort et matrice intimement liés à l’échelle microscopique nature, morphologie, composition, épaisseur des interphases

MATERIAU COMPOSITE et MULTI-MATERIAU spécifiquement adaptés à l’usage que l’on 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 l’interface  Du coût : couple prix/performance dépendent

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

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

EXEMPLE D’APPLICATION D’UN MATERIAU COMPOSITE Céramique / Céramique Fabrication d’un disque de freins en carbone

EXEMPLE D’UN MATERIAU COMPOSITE Freins en carbone 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 d’un disque (le disque est encore fragile, poreux). PAN Fibres disque

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 d’un composite carbone – carbone

Usinage du composite carbone – carbone 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 jusqu’à 2500 °C

Traitement particulier de fibres de carbone Nouveaux freins développés par Porsche et Mercedes Traitement particulier de fibres de carbone et de silice à 1 700 °C • Températures d’utilisation jusqu'à 1 400 °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 300 000 km

EXEMPLE D’APPLICATION Pièce de suspension en aluminium D’UN MULTI-MATERIAU Métal / Métal Pièce de suspension en aluminium avec un insert en fonte

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

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

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

« du berceau au tombeau » ETAPES DE LA « VIE » D’UN MATERIAU Cycle de vie « du berceau au tombeau »

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

Cycle de vie  Terme utilisé pour décrire l’histoire complète d’un matériau « Du berceau à la tombe »  Approche récemment développée  intègre l’impact d’un matériau sur l’environnement tout au long de sa vie  Etude de chaque étape de la production Extraction des matières premières Elimination finale des résidus Certification Eco-Label Norme 14001 Incidences d’un secteur d’activité sur un problème écologique mondial (changements climatiques) Comparaison de l’impact sur l’environnement d’un secteur industriel par rapport à un autre

MATERIAUX INORGANIQUES Positionnement par rapport aux autres matériaux DANS L’INDUSTRIE Positionnement par rapport aux autres matériaux Emplois

Industries des biens intermédiaires Place des matériaux inorganiques dans l’industrie Industries des biens intermédiaires Statistiques en 2001

Emplois industriels

ACTIVITES DE RECHERCHE A LYON FORMATIONS PROPOSEES A L’UCBL ET FORMATIONS PROPOSEES A L’UCBL

Recherches à Lyon École Doctorale des Matériaux de Lyon 14 laboratoires reconnus par le CNRS à l’UCBL, à l’INSA, à l’ECL et à l’ENS. 100 étudiants niveau Bac + 5 (DEA) 120 étudiants en Thèse dont 40 financés par une allocation ministérielle

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

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