Den materialvitenskap er basert på forholdet mellom egenskapene, strukturelle morfologi og gjennomføringen av de materialer som utgjør de objektene som omgir oss ( metaller , polymerer , halvledere , keramikk , kompositter , etc.).
Den fokuserer på studiet av hovedegenskapene til materialer, så vel som deres kjemiske, elektriske, termiske, optiske og magnetiske mekaniske egenskaper.
Den materialvitenskap er i hjertet av mange av de store teknologiske revolusjoner. Spesielt i et århundre: elektronikk (datamaskiner, CD- og DVD-spillere osv.), Biler (motorer, karosseri, frontlykter osv.), Luftfart, fornybar energi (solcellepaneler osv.), Nanovitenskap , nanoteknologi osv.
Kunnskap og mestring av mikroskopiske fenomener (diffusjon, arrangement av atomer, omkrystallisering, utseende av faser osv.) Gir forskere og industrielle muligheter til å utvikle materialer med de ønskede egenskaper og ytelse.
Som et resultat er et stort antall opplæringskurs i ingeniørskoler ( f.eks . EEIGM , ECPM ) eller ved universitetene fokusert på materialvitenskap ( f.eks. Grenoble , Marseille , Orsay , Poitiers , Strasbourg , Limoges ).
Å designe en perfekt krystall er fysisk umulig, men det er ofte dens strukturelle mangler som gjør et materiale interessant. Vi bruker derfor defektene i krystallinske materialer (som felling , korngrenser , karboninterstitials , hull , dislokasjoner , etc.) for å lage materialer med ønskede egenskaper.
Frem til XIX - tallet var materialbruken i det vesentlige empirisk. En stor utvikling fant sted da Josiah Willard Gibbs (1839-1903), en amerikansk fysikalsk kjemiker , lyktes i å demonstrere at de termodynamiske egenskapene relatert til atomstrukturen hadde en direkte forbindelse med de fysiske egenskapene til et materiale. Som et resultat var materialvitenskap ikke lenger begrenset til metaller eller keramikk og har diversifisert seg betydelig, spesielt med utvikling av plast, halvledere etter andre verdenskrig . I dag er den viktigste drivkraften for innovasjon i denne vitenskapen utviklingen av ny teknologi beregnet på banebrytende felt som nanoteknologi (det uendelig små) eller romfart.
De metallene er materialer hvis kjemiske elementene har det spesielle ved å være i stand til å danne metalliske bindinger og miste elektroner for å danne kationer (for eksempel eller ). De kan karakteriseres både fysisk-kjemisk og elektronisk (se avsnitt om karakterisering). Metaller er preget av flere fysiske særegenheter. De er gode elektriske ledere, denne egenskapen måles enten gjennom ledningsevne eller gjennom dens omvendte motstand . De er også gode varmeledere og har en lysende glød. Fra et mekanisk synspunkt er de preget av egenskaper som elastisitetsmodulen (generelt høy, i størrelsesorden flere G Pa ), hardheten , duktiliteten osv.
På jorden finnes de fleste metaller bare i form av oksider. Imidlertid er de lite brukt i denne formen (unntatt innen mikroelektronikk). Det er foretrukket å bruke dem renset ( eksempler på kobber og aluminium ) eller i form av legeringer . Den aluminium er den mest tallrike metall i jordskorpen . Legg også merke til viktigheten av jern , som ofte brukes i form av stål eller støpejern etter tilsetning av karbon .
Fra et økonomisk synspunkt er det to ekstremt viktige sektorer, stål og aluminium. I 2007 utgjorde verdens stålproduksjon 1,3 milliarder tonn, en økning på 5,4% sammenlignet med 2006. Denne sektoren er for tiden dominert av selskapet Mittal Steel . Aluminiumssektoren er dominert av Rio Tinto Alcan . I 2008 utgjorde aluminiumsproduksjonen 3,1 millioner tonn, en økning på 11,5% sammenlignet med 2006.
En polymer er et stoff som består av organiske (eller noen ganger mineral) makromolekyler . Makromolekyler består av en repeterende kjede av minst en type monomer . Monomerene er koblet sammen av kovalente bindinger . Polymerkjeder samhandler med hverandre med svakere krefter som Van der Waals-bindinger . Egenskapene til polymerer avhenger spesielt av typen monomer (er), arten av deres montering og graden av polymerisasjon .
Det skilles mellom naturlige polymerer, modifiserte (kunstige polymerer) og syntetiske stoffer. De kan også klassifiseres i henhold til arkitekturen. Vi skiller for eksempel lineære polymerer, forgrenet (med forgreninger) eller ikke, dendritikk (forgreninger i tre dimensjoner) og tverrbundet eller tredimensjonalt som danner et nettverk.
Polymerer kan lages på flere måter. Vi kan sitere:
En annen type klassifisering av polymerer er også i henhold til deres termomekaniske egenskaper. Vi skiller mellom:
Polymerer kan klassifiseres i to typer, avhengig av deres oppførsel i varme og under trykk:
På grunn av deres interessante egenskaper har polymerer gradvis invadert bransjer og hverdag, og erstattet tradisjonelle materialer.
De keramiske materialer er sammensatt av metalliske og ikke-metalliske elementer. De er generelt oksider , nitrider eller karbider . Gruppen av keramikk omfatter et bredt spekter av materialer, som sement , glass, tradisjonell keramikk laget av leire .
Krystallstrukturen i keramikk er mer kompleks enn metaller fordi minst to forskjellige kjemiske elementer er til stede. Det er ionisk keramikk, sammensatt av et metall og et ikke-metall (for eksempel: NaCl, MgO) og kovalent keramikk, sammensatt av to ikke-metaller eller rene elementer ( diamant , silisiumkarbid , etc. ). Strukturen av korngrenser er også mer kompleks fordi elektrostatiske interaksjoner fører til ytterligere likevektsspenninger. Ionene med de samme tegnene må derfor ikke berøre hverandre. Dette er grunnen til at keramikk har en viss porøsitet (ca. 20 volum%).
Keramikk har mange fordeler:
På den annen side er deres viktigste svakhet å være disponert for å bryte plutselig, uten plastisk deformasjon i trekkraft (skjøre karakter); porøsitetene "svekker" materialet ved å forårsake spenningskonsentrasjoner i deres nærhet. Skjørheten i keramikk gjør valsing eller smiing av metoder som brukes i metallurgi umulig .
Teknisk keramikkDen tekniske keramikken er en gren av keramikk dedikert til industrielle applikasjoner, i motsetning til håndverk ( keramikk ) eller kunstnerisk ( keramisk kunst ) eller porselen . Målet med denne industrien er å lage og optimalisere keramikk med spesifikke fysiske egenskaper: mekanisk , elektrisk , magnetisk , optisk , piezoelektrisk , ferroelektrisk , superledende , etc.
De fleste tekniske keramikker er formet av et komprimert pulver og deretter oppvarmet til høy temperatur ( sintringsprosess ). Spesielt pulver med veldig liten partikkelstørrelse brukes for å redusere porøsiteten.
BrillerDe brillene er for det meste faste stoffer oppnådd ved frysing flytende underkjølte . De fire hovedmetodene for å lage glass er å trykke , blåse , strekke og trekke fiber .
Briller er ikke-krystallinske silikater som inneholder andre oksider (for eksempel CaO) som endrer egenskapene. Gjennomsiktigheten til glass er en av dens viktigste egenskaper. Dette skyldes sin amorfe struktur og fraværet av defekter større enn brøkdelen av et mikrometer. Den brytningsindeksen for en linse er omtrent 1,5. Når det gjelder deres mekaniske egenskaper, er glass skjøre materialer, men termiske eller kjemiske behandlinger kan avhjelpe dette.
Halvledere Semiconductor strukturHalvledere er laget av en ganske tynn plate av silisium , galliumarsenid eller indiumfosfid , kalt wafer .
Denne platen brukes som en støtte for fabrikasjonen av mikrostrukturer ved hjelp av teknikker som doping , etsning , avsetning av andre materialer ( epitaxy , sputtering , kjemisk dampavsetning, etc.) og fotolitografi . Disse mikrostrukturene er en hovedkomponent i produksjonen av integrerte kretser , transistorer , kraft halvledere eller MEMS .
Dopede halvledereDen dopingen utføres ved å innføre inn i matrise halvledere forurensningsatomer. Hvert av dets atomer tilveiebringer enten et ekstra valenselektron (N-doping) for de pentavalente urenhetene, eller et "hull", eller valenselektronunderskudd (P-doping) for de treverdige urenhetene.
Et komposittmateriale er en blanding av to basismaterialer, skilt i makroskopisk skala, med forskjellige fysiske og mekaniske egenskaper. Blandingen utføres slik at de har optimale egenskaper som er forskjellige og generelt overlegne de for hver av bestanddelene. En kompositt består av minst en matrise (bindemiddel) og en forsterkning .
De valgte bestanddeler (noen er flerfunksjons) kan forbedre de følgende egenskaper: stivhet, termomekanisk motstand, tretthetsmotstand , korrosjonsmotstand , tetthet , støtsikkerhet, brannmotstand, termisk og elektrisk isolasjon, lightening av konstruksjoner, utforming av komplekse former.
Roll (er) spilt av hver enkelt bestanddel:
Bruken av kompositter er enten automatisert ( vakuumstøping , RTM, etc.) eller håndverksmessig for deler med høy ytelse ( kontaktstøping, etc.).
De komposittmaterialer basert på fibre og polymerer som utgjør den største gruppen (90% av alle idag fremstilte kompositter).
Komposittmaterialer er mye brukt i luftfart, biler, jernbaner, etc.
De dør kan være original:
Av belastninger (mineralsk, organisk eller metallisk) og tilsetningsstoffer er nesten alltid innlemmet i matrisen.
ForsterkningForsterkningene (glass, karbon, aramid, bor eller metallfibre osv.) Kan være i form av:
Armeringen kan være alene i en matrise (homogen kompositt) eller assosiert med en armering av en annen art (hybrid kompositt).
Tabellen nedenfor sammenligner de viktigste materialklassene i henhold til opprinnelse, krystallinitet, ledningsevne og termostabilitet.
Sammensetning | Naturlige materialer | Syntetiske materialer | Amorfe materialer | Krystallinske materialer | Isolerende materialer | Halvledermaterialer | Ledende materialer | Termolabile materialer | Termostabile materialer |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Organisk | Biopolymerer | Syntetiske polymerer | Amorfe polymerer | Halvkrystallinske polymerer | Hyppigste tilfelle | Halvlederpolymerer | Ledende polymerer | Hyppigste tilfelle | Termostabile polymerer |
Uorganisk ikke-metallisk | Rocks | Keramikk, briller og halvledere | Briller | Keramikk | Hyppigste tilfelle, eksempel ildfaste materialer | Uorganiske halvledere | Nei | Hyppigste tilfelle | |
Uorganisk metallisk | Innfødte metaller og legeringer | Metalllegeringer | Amorfe legeringer | Hyppigste tilfelle | Nei | Nei | Ja | Hyppigste tilfelle | |
Organisk og / eller uorganisk | Tre , bein | Syntetiske komposittmaterialer | Termostabile kompositter |
For å studere og forstå et materiale er det viktig å karakterisere det ved hjelp av passende karakteriseringsteknikker. Eller ødeleggende, det vil si som skader materialet. Eller ikke-destruktivt , som ikke skader materialet og derfor objektet som studeres.
Hovedkarakteriseringsteknikkene kan klassifiseres etter kategori:
Disse karakteriseringsteknikkene drar nytte av bidragene fra materialvitenskap og gjensidig hjelper i utviklingen.
Alle næringer som produserer materielle varer er avhengige av materialer, så materialvitenskap finner naturlig nok sin plass.
Formålet med teknikkene for materialform er å gi en bestemt form til materialet mens det pålegges en viss mikrostruktur for å oppnå et objekt med de ønskede egenskaper. Dette er en jobb som krever best mulig kontroll av eksperimentelle parametere ( sammensetning , temperatur , kjølehastighet , etc.). Teknikker varierer avhengig av materialene og gjenstandene som skal lages. Alle disse teknikkene drar nytte av forståelsen fra materialvitenskap.
Her er noen bruksområder for hovedklasser av materialer:
Utviklingen av miljøvern og gjenvinning oppfordrer selskaper til å lete etter nye materialer, for eksempel biologisk nedbrytbare materialer. Den polymelkesyre ekstrahert fra planter så som rødbeter eller mais, er et godt eksempel. Den brukes for tiden til absorberbare suturer, for å erstatte plastposer eller til og med for plastbokser.
Enkelte miljøaspekter får oss til å gjennomgå vår måte å bruke materialer på. Den resirkulering av materialer som er satt til å utvikle seg. For eksempel innen mikroelektronikk har produsenter av flatskjerm blitt konfrontert med den skyhøye prisen på indium, og det blir interessant å resirkulere det. Et annet eksempel, den progressive uttømmingen av petroleumsressurser, utgjør et problem for den fremtidige produksjonen av polymerer. Vi må derfor se etter alternative løsninger ( bioplast ).
Men noen svært brukte materialer er fortsatt ikke resirkulerbare og utgjør et reelt miljøproblem. Vi tenker spesielt på naturgummi, visse elastomerer ( styren-butadien, etc.) som fremdeles er de viktigste bestanddelene i dekk i dag, og herdepolymerer. Det er derfor nødvendig enten å utvikle nye resirkuleringsprosesser eller å utvikle alternative, mer økologiske materialer, for eksempel termoplastiske elastomerer .
En rekke nobelpriser i fysikk og kjemi er relatert til materialvitenskap: