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Performances des matériaux et leur

structure (Liaisons chimiques)

Amor Guidoum

1.1 Propriétés des matériaux et leur structure

Performances Microstructures

Procédés Structure Propriétés Fonctions

Science et génie des matériaux :

Exemple : Oxyde d’aluminium Al2 O3

1. Crystal simple (alumine) transparent

2. Polycristal

très dense (non poreux) translucide

3. Polycristal

(porosité

5%) opaque

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

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

1.2 Abondance des matériaux et la composition de la croûte

terrestre

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

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

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 :

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

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

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,…

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

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

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

1.4.7 Liaison mixte ou hybride : le cas du carbone et du graphite

Graphite Diamant

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

Energies de liaisons et températures de fusion de diverses substances

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..

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

•

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++

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

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

•

1.5.1 Exemple : Silicium

Poudre de silicium

Polycristal

de silicium

Monocristal de silicium

Diamant de silicium

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

1.5.2 Matériaux polycristallinsCristallite

(grain)

Joint degrain

Section d’un lingot deplomb polycristallin

très pur

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

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

1.5.3 Matériaux amorphes

Structure du verrede silicate de sodium(ordinaire)

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)

•

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)

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

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

1.6 céramiques, cristaux ioniques

Chlorure de Sodium NaClCFC

Chlorure de césium CsClCubique simple

Fluorine CaF2Cubique simple

Pérovskite BaTiO3CFC

Sulfure de zinc (blende) ZnSCFC

1.6 céramiques de silicates

Schémas 2D: (a) SiO2 cristallin, (b) SiO2 amorphe Verre ordinaire, amorphe

Cristobalite, SiO2

1.6 céramique, carbone

Graphite Fullerène, C60Diamant

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

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)

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