2. New materials - mms2

2. New materialsAerogelsCOURS MATERIAUX FONCTIONNELSENSMP - MATERIAUX, mai 2005

COURS « MATERIAUX 2005 »Les Matériaux FonctionnelsAlain ThorelEcole des Mines de ParisLES MATERIAUX, OU L’ECART APPARENT A LA PHYSIQUE DU SOLIDELES PROPRIETES PHYSIQUES : ROLE DE LA MICROSTRUCTUREELABORATION D’UN CŒUR DE PILE À COMBUSTIBLE À OXYDE SOLIDECOURS MATERIAUX FONCTIONNELSENSMP - MATERIAUX, mai 2005

LES MATERIAUX, OU L’ECART A LA PHYSIQUE DU SOLIDEMatière…Matériaux…ObjetsPhysique du solide : cristal parfait infini(par rapport à la « dimension caractéristique » de la propriété considérée)Le matériau réel est différent : monocristaux de grande taille souvent impossibles à faire le matériau réel est polycristallin• procédés industriels• défauts(le matériau réel peut présenter des « longueurs de cohérence » inférieuresà la « dimension caractéristique » de la propriété ;C’est systématiquement le cas pour les nanométériaux)COURS MATERIAUX FONCTIONNELSENSMP - MATERIAUX, mai 2005

Propriétés thermiquesS.C. = Single CrystalDiffusion des phonons sur les joints de grainsCOURS MATERIAUX FONCTIONNELSENSMP - MATERIAUX, mai 2005

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• les matériaux industrielscéramiqueset verresmatrice céramique+ métal (cermets)matrice métallique+ céramique (CMM)multimatériauxmatrice céramique +plastiquematrice plastique +céramiquemétauxplastiquesmétal +plastiqueplastique +métal matériaux composites : matériaux de fonction : interactions matériaux/procédés :(anisotropie contrôlée)(métalloïdes [Si], terres rares [Nd])(céramiques, composites)COURS MATERIAUX FONCTIONNELSENSMP - MATERIAUX, mai 2005

Propriétés d'un objet, d'un matériau = f(?)Sur quoi agir pour changer les propriétés d'un objet?objet Aobjet Aobjet B1. composition chimique2. structure cristallographique3. microstructure4. formeobjet B1(A)=1(B)2(A)=2(B)3(A)=3(B)4(A)=4(B) Propriétés (A) = Propriétés (B)COURS MATERIAUX FONCTIONNELSENSMP - MATERIAUX, mai 2005

• Science des Matériauxdescription sur des bases scientifiques des mécanismesqui expliquent le comportement d'un matériauétablir les relations Propriété = f(1,2,3,4) pour améliorer les propriétés pour trouver de nouveaux matériaux pour trouver de nouvelles applications pour prédire le comportementmatières premièresnaturellesobjetmatières premièresde synthèseCOURS MATERIAUX FONCTIONNELSmétauxverrekaolinfeldspathquartzcarboneargilenitrurescarburesoxydesboruresplastiquesENSMP - MATERIAUX, mai 2005

éseaud=0,2nmatomes0,1nmgrain1000nmmicrostructureCOURS MATERIAUX FONCTIONNELSENSMP - MATERIAUX, mai 2005

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Traitement thermiquedu nitrure de siliciumCOURS MATERIAUX FONCTIONNELSENSMP - MATERIAUX, mai 2005

Joint de Grains dans un bi-cristal d’aluminium(Microscopie Electronique en Transmission)On trouve des traces de Cu sur certains plans de jointsCOURS MATERIAUX FONCTIONNELSENSMP - MATERIAUX, mai 2005

Film de CoCrTa déposé à 250°C(propriétés magnétiques)COURS MATERIAUX FONCTIONNELSENSMP - MATERIAUX, mai 2005

matériaucorps non purmélange nonparfaitementhomogèneplusieurs phasesPT≠ propriétés≠ répartitionAxByrépartitionest-il possible de prévoir:-structure-composition-répartitiondes phases à l'équilibre?minimisation de l'enthalpieXAT°CAα+βX%BBCOURS MATERIAUX FONCTIONNELSENSMP - MATERIAUX, mai 2005

➜ Les diagrammes de phasesEx : aciers : Fe-Cδγausténite910αferriteα+Fe3C0,0218% 2,11%COURS MATERIAUX FONCTIONNELSENSMP - MATERIAUX, mai 2005

phénoménologie de la solidificationpour les métauxT°CLiqα+ LiqCldT/dtαCsα+βABliqsolmouvement d'atomes sur de + ou - longuesdistancesvariations de composition- facile dans le liquide- difficile dans le solidecristallisationgermination- sur impuretés- sur paroi d'un moulecroissanceCOURS MATERIAUX FONCTIONNELSENSMP - MATERIAUX, mai 2005

DIFFUSIONdiffusionlacunesnl=N exp (-Q l/kT)lCte BoltzmannEnergie d'activationNbe de noeuds du réseauNbe de lacunesinterstitiels• rôle mineur• n i• distorsions• sites O et T• atomes petits• = 7eV• rôle majeur dans les métaux• n l• = 1eVCOURS MATERIAUX FONCTIONNELSENSMP - MATERIAUX, mai 2005

pour les métaux :composition chimique+traitements thermiquespropriétésmécaniquesTT0α1α +lαX A2liq=lE(v=0)l+ ββX AβLes autres propriétés (physiques, oufonctionnelles) varient assez peu pourles métaux)X Aα+βAX AlBpour les céramiques ! ? ? ? :COURS MATERIAUX FONCTIONNELSENSMP - MATERIAUX, mai 2005

énergie d'interface≠∂G∂A i,j-rôle sur la précipitation-lamelles eutectiques-joints de grains= γ i,j________________________________________________cinétique &énergie d'interface➜ définissent la microstructure➜ définissent les propriétésCOURS MATERIAUX FONCTIONNELSENSMP - MATERIAUX, mai 2005

Les céramiquesc:mise en oeuvreMgBFOCBeAlSimatièrespremièresNpoudrechimie despoudres• voie sèche• voie liquide• voie gazeusemise en formefrittage• voie sèche• voie liquide• voie plastique• autres...COURS MATERIAUX FONCTIONNELSENSMP - MATERIAUX, mai 2005

mise en formePpoudre+liant+ajoutsPpressage# 1t/cm2COURS MATERIAUX FONCTIONNELSgalette cruemanipulableusinable# 40-50% d thENSMP - MATERIAUX, mai 2005

frittagedV/V < 0> 1700 °Cpièce densepratiquement auxcotesCOURS MATERIAUX FONCTIONNELSon peut suivre l'évolutiondu frittage pardilatométrieENSMP - MATERIAUX, mai 2005

thermodynamique du frittageP(N2)PP(O2)TA(s,s) et A(s,v)G = G { P, T, ni, A(j,k) }dG =∑i⎡ ∂G ⎤⎢ ⎥⎣ ∂X i ⎦XjdX idG =⎡ ∂G ⎤ ⎡⎢ ⎥ dP + ∂G ⎤⎢ ⎥ dT +⎣ ∂P⎦⎣ ∂T⎦⎡ ∂G⎤⎢ ∑ ⎥ dn⎣ i ∂ni+i ⎦⎡⎢ ∑⎣ ⎢ j∑k∂G∂A j,k⎤⎥⎦ ⎥ dA j,kdG = VdP− SdT +iµ i∑ dn i+ ∑ ∑ γ j,kjkdA j,kCOURS MATERIAUX FONCTIONNELSENSMP - MATERIAUX, mai 2005

thermodynamique du frittageP(N2)PP(O2)TA(s,s) et A(s,v)G = G { P, T, ni, A(j,k) }dG =∑i⎡ ∂G ⎤⎢ ⎥⎣ ∂X i ⎦XjdX idG =⎡ ∂G ⎤ ⎡⎢ ⎥ dP + ∂G ⎤⎢ ⎥ dT +⎣ ∂P⎦⎣ ∂T⎦⎡ ∂G⎤⎢ ∑ ⎥ dn⎣ i ∂ni+i ⎦⎡⎢ ∑⎣ ⎢ j∑k∂G∂A j,k⎤⎥⎦ ⎥ dA j,kdG = VdP− SdT +iµ i∑ dn i+ ∑ ∑ γ j,kjkdA j,kCOURS MATERIAUX FONCTIONNELSENSMP - MATERIAUX, mai 2005

thermodynamique du frittageP(N2)PP(O2)TA(s,s) et A(s,v)G = G { P, T, ni, A(j,k) }dG =∑i⎡ ∂G ⎤⎢ ⎥⎣ ∂X i ⎦XjdX idG =⎡ ∂G ⎤ ⎡⎢ ⎥ dP + ∂G ⎤⎢ ⎥ dT +⎣ ∂P⎦⎣ ∂T⎦⎡ ∂G⎤⎢ ∑ ⎥ dn⎣ i ∂ni+i ⎦⎡⎢ ∑⎣ ⎢ j∑k∂G∂A j,k⎤⎥⎦ ⎥ dA j,kdG = VdP− SdT +iµ i∑ dn i+ ∑ ∑ γ j,kjkdA j,kCOURS MATERIAUX FONCTIONNELSENSMP - MATERIAUX, mai 2005

thermodynamique du frittageP(N2)PP(O2)TA(s,s) et A(s,v)G = G { P, T, ni, A(j,k) }dG =∑i⎡ ∂G ⎤⎢ ⎥⎣ ∂X i ⎦XjdX idG =⎡ ∂G ⎤ ⎡⎢ ⎥ dP + ∂G ⎤⎢ ⎥ dT +⎣ ∂P⎦⎣ ∂T⎦⎡ ∂G⎤⎢ ∑ ⎥ dn⎣ i ∂ni+i ⎦⎡⎢ ∑⎣ ⎢ j∑k∂G∂A j,k⎤⎥⎦ ⎥ dA j,kdG = VdP− SdT +iµ i∑ dn i+ ∑ ∑ γ j,kjkdA j,kCOURS MATERIAUX FONCTIONNELSENSMP - MATERIAUX, mai 2005

Transfert de matière1. Diffusion de surface (Surf→ Cou)2. Diffusion dans le réseau (Surf→ Cou)3. Diffusion en phase vapeur (Surf→ Cou)4. Diffusion aux joints (GB → Cou)5. Diffusion dans le réseau (GB→ Cou)6. Diffusion dans le réseau (Disloc→ Cou)COURS MATERIAUX FONCTIONNELSENSMP - MATERIAUX, mai 2005

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frittage en présence d'une phase liquides,ls,ss,vliquide• Li2O• Na2O• K2O• silicates...COURS MATERIAUX FONCTIONNELSENSMP - MATERIAUX, mai 2005

frittage + activation--> défauts spécifiques des céramiquesen volume(non éliminables)• défauts de compactage• inclusion• porosité résiduelle• phase intergranulaire• joints de grainsen surface(éliminables)• microfissures• écaillage• contraintes résiduelles• rayures...COURS MATERIAUX FONCTIONNELSENSMP - MATERIAUX, mai 2005

début du frittagefin du frittageCOURS MATERIAUX FONCTIONNELSENSMP - MATERIAUX, mai 2005

Traitement thermiquedu nitrure de siliciumCOURS MATERIAUX FONCTIONNELSENSMP - MATERIAUX, mai 2005

mise en oeuvre d'un matériauélaborationcéramiquesmétauxproduits 1/2 finisapplicationfinitionébaucheusinageT.Th desurfaceapplicationCOURS MATERIAUX FONCTIONNELScéramiquesENSMP - MATERIAUX, mai 2005

liaisons iono-covalentes fortespropriétésCOURS MATERIAUX FONCTIONNELS• liaisons directionnelles: rigidité, dureté• faible mobilité électronique et ionique• point de fusion ou de sublimation élevé- pas de diminution de viscosité• grande stabilité chimique• maille élémentaire souvent complexe- mobilité nulle des dislocations- pas de déformation plastique• faible densité- faible inertie mécanique• rupture fragile à température ambiante- déformation élastique• grande résistance à la compression- pas de fluage à temp. amb.• tenue mécanique indépendante de Tsur un large domaine de température• généralement isolant thermiqueENSMP - MATERIAUX, mai 2005

longueur de cohérence microstructuraleξ• fréquence de fluctuation de la microstructure• taille de grains• distance inter-pores, diamètre des pores• répartition et dimension des secondes phases• réseau et taille des microfissures• étendue des fluctuations de composition .....OPTIQUEMEB10-310-410-510MET-610-7atomesparamètres du réseaujoints de grainsfilms interfaciauxprécipitéspoints triplestaille de grainsphases secondaires étenduesporesfissures10-810-910-10percolation de phases secondairesξdéfaut de compaction• 1/ ξ caractérise l'homogénéïté du matériau• ξ --> taille de grains: bon contrôle de l'élaboration• alors rôle des interfaces prépondérant• évolution vers une diminution de la taille de grainsCOURS MATERIAUX FONCTIONNELSENSMP - MATERIAUX, mai 2005

elations microstructure/propriétésmicrostructureR?propriétés• quelle propriété?• à quelle échelle?• exemple:ΩR --> S ,LU=RI=p(L/S)Iu'=p'(l/s)iu''=p''(l/s)iR --> ?si p'>p",i• p"• As,s (p')COURS MATERIAUX FONCTIONNELSENSMP - MATERIAUX, mai 2005