LES MATERIAUX INORGANIQUES : Métaux, Céramiques Composites, Multi-matériaux es domaines scientifiques et des secteurs industrie en perpétuelle évolution Myriam SACERDOTE - PERONNET Bâtiment Berthollet (3ème étage) Myriam.Peronnet @univ-lyon1.fr Université Claude Bernard – Lyon I UFR de Chimie-biochimie
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LES MATERIAUX INORGANIQUES : Métaux, Céramiques Composites, Multi-matériaux Des domaines scientifiques et des secteurs industriels en perpétuelle évolution.
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LES MATERIAUX INORGANIQUES :Métaux, Céramiques
Composites, Multi-matériaux
Des domaines scientifiques et des secteurs industrielsen perpétuelle évolution
Métaux très bonne tenacitéCéramiques très mauvaise tenacité (fragiles)
3 – Fluage et Fatigue Modes de sollicitations en service
Fluage :
Fatigue :
matériau sollicité mécaniquement et à chaud
sollicitation cyclique
COMPARAISON DES PROPRIETESDES METAUX ET CERAMIQUES
Propriété Métaux Céramiques
Elasticité Elevée Très élevée
Plasticité Oui Non (peu)
Ductilité Oui Non (peu)
Tenacité Très tenace Très fragile
Température utilisation
Moyennes Hautes Hautes Très hautes
Densité Moyenne elevée Moyenne
Prix Faible Elevé Elevé Faible(céramiques
techniques)
CLASSIFICATIONDES METAUX ET CERAMIQUES
Cette classification est valablepour tous les matériaux organiques ou inorganiques
CLASSIFICATION
Par secteur d’utilisationEmballages alimentaires (canettes), Ustensiles de cuisine (casseroles)Transports : Automobile, Ferroviaire, Aéronautique,Secteurs de l’AérospatialeSports et loisirs (vélos, skis)BiomédicalArt, Orfévrerie…
Par fonctionsPièce conductrice d’électricitéPièce résistante aux très hautes températures
Par degré de nouveautéLes céramiques techniques Les alliages Haute Pureté (métaux) Les composites céramique/métalLes multimatériaux métal/métalou métal/céramique Les matériaux supra-conducteursLes nano-matériaux
Par leur propriété prédominanteMatériau lubrifiantcolle…
Par ségrégation chimiqueMétaux et céramiques (développés dans cet exposé), verres…
SECTEURS D’UTILISATION
1 – Emballages alimentaires 2 – Ustensiles de cuisine
Canettes de boisson
Matériaux :Acier, Alliage d’Aluminium
Procédés : Emboutissage, Vernissage
1 machine = 10 canettes / seconde 1 million / jour
Casseroles
Matériaux :Inox, Alliage d’Aluminium
Procédés : Emboutissage Assemblage (brasage)
Multi-matériaumétal / métal
Base Fe / Base Al
Casserole en métal ferreux
Fond diffuseur en aluminium
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 passagersVolume habitable plus spacieux
Carrosserie réparable par simple redressement.
Carroserie : Squelette en bois + Tôles rivetées.
1893 : Premier moteur construit par Henry Ford
3 – Secteurs des transports
L’Automobile aujourd’hui
Métauxferreux
Alliagesd’aluminium
Alliagesde magnésium
Priorité : Allégement Diminuer la consommation Diminuer l’émission des gaz polluants
Alliages métalliquesBase Fer
(Fontes, Aciers)
Base Al(Al-Si, Al-Cu)
CéramiquesComposites
Multi-matériaux ex : pistons (Fe / Al)
Pistons
Culasse
Freins
Jantes
Bloc-cylindres Au niveau du moteur
Au niveau des suspensions
Au niveau de l’HabitaclePièces non sollicitées mécaniquementet thermiquement
Au niveau de la carrosserie
3 – Secteurs des transports
Aéronautique civile
Fuselage Réacteur
Sollicitations thermiques et mécaniquestrès importantes
3 – Secteurs des transports
Aéronautique militaire
4 – Secteurs de l’Aérospatiale
Lanceurs spatiauxSatellitesMissiles
Matériaux de très hautesPerformance
Conditions extrêmes
Composites thermostructurauxSiC / SiC - C / C
5 – Sports et Loisirs
Cadres : AcierAluminiumCarboneTitane
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)
6 – Secteurs du biomédical
1 : Os Iliaque 2 : Cotyle 3 : Tête 4 : Col 5 : Fémur
Recherche d’une amélioration en affinantson principe de fonctionnement
Skis : Bois Métaux, composites à fibres de carbone
Appareils électroménagers : Métaux Polymères
LES DIFFERENTES CLASSES DE CONCEPTION
3 - Conception de variation ou Conception dérivée
Changement de taille (changement d’échelle, de dimension)
Amélioration de détailsans changement de la fonction
Ceci peut nécessiter un changement de matériau
Petits bateaux : composites à fibres de verre
Grands bateaux : Acier
PROCEDURE DE SELECTION
Point de départ : idée innovantebesoin 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 remplirla 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 matériauxpouvant être utilisés dans ces conditions
Troisième étape : Etape de conception détaillée
Analyse détaillée de chaque composant critique
Choix définitif de la formeet
des matériaux utilisés
Choix définitif des procédés
Quatrième étape :
Analyse des aspects de production
Analyse des coûts
Spécifications de production
MATERIAUX COMPOSITES
ET
MULTI-MATERIAUX
Formation et croissance d’une zone de réaction
renfort matrice
Matériaux composites et multimatériaux
à l’interface renfort / matrice
renfort et matrice intimement liés à l’échelle microscopique
nature, morphologie, composition, épaisseur des interphases
Propriétés - performances Qualité de l’interface
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
Renfort : Dimension microscopique(microns)
Particules, Fibres
renforcement de la matrice en volumepar dispersion uniforme
Elaboration par insertion à la couléeProcédé de fonderie
ETAPES DE LA « VIE »D’UN MATERIAU
Cycle de vie« du berceau au tombeau »
Matière
Choix du MatériauChoix des procédés
Assemblages
Utilisation en service
Durée de vieDurabilité
RecyclageValorisation des déchets
Approvisionnementen matières premières
Conception
Elaboration
Transformations
Caractérisations
Réalisation du matériau
Devenir après usage
« Du berceau au Tombeau »
« Du berceau au berceau »Matière organique vivante :
composte
Cycle de vie Terme utilisé pour décrire l’histoire complète d’un matériau
« Du berceau à la tombe »
intègre l’impact d’un matériau sur l’environnementtout au long de sa vie
Certification Eco-LabelNorme 14001
Etude de chaque étape de la production Extraction des matières premières Elimination finale des résidus
Incidences d’un secteur d’activité sur un problème écologiquemondial (changements climatiques)
Comparaison de l’impact sur l’environnementd’un secteur industriel par rapport à un autre
Approche récemment développée
MATERIAUX INORGANIQUESDANS L’INDUSTRIE
Positionnement par rapport aux autres matériauxEmplois
Place des matériaux inorganiques dans l’industrie
Industries des biens intermédiairesStatistiques en 2001
Nombre d'entreprises
0500
10001500200025003000350040004500
pro
duits
min
éra
ux
textile
s
bois
, papie
r,
cart
on
chim
ie,
caoutc
houc,
pla
tiques
méta
llurg
ie,
transfo
rmation
des m
éta
ux
com
posants
Emplois en Septembre 2003
Habillement et Cuir 110,6Industrie du Textile 98,7Equipement du Foyer 156,5Industrie Automobile 275,4Matériel de Transport 120,8Equipement Mécanique 342,5Equipement Electrique 218,5 1323,0