CHAPITRE III ELABORATION DES MATERIAUX NON ORGANIQUES

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CHAPITRE III : ELABORATION DES MATERIAUX NON ORGANIQUES A.-F. GOURGUES-LORENZON Dans ce chapitre nous aborderons l'élaboration de l'ensemble des matériaux, sauf celle des polymères qui fera l'objet du chapitre suivant. Après un rappel de quelques éléments historiques utiles, nous décrirons quelques procédés de mise en œuvre des matériaux. Dans un deuxième temps, on abordera d'un point de vue quantitatif deux « piliers » de l'élaboration, mais aussi des transformations en phase solide (et donc de l'obtention des microstructures) : la thermodynamique et la cinétique appliquées aux matériaux, qui feront également l'objet d'une séance de travaux dirigés (double chapitre V-VI). 1 QUELQUES GRANDES LIGNES DE L'HISTOIRE DES MATERIAUX Les quelques dates rappelées ci-dessous montrent que l'évolution des techniques est étroitement liée à la découverte et à la production de masse de nouveaux matériaux : le rail de chemin de fer est produit en masse par le convertisseur Bessemer, les circuits intégrés font appel aux monocristaux, le béton que nous connaissons aujourd'hui n'existerait pas sans le ciment Portland, etc. Toutes les familles de matériaux sont concernées par une concurrence de plus en plus vive (qu'on pense à la concurrence entre béton, bois, verre et métal dans le bâtiment) et une diversification croissante (il existe à ce jour plus de 3000 nuances d'aciers, dont la moitié n'existait pas il y a cinq ans).

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ciment portland

matériaux

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poudre

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Sujets

multiplication

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Extrait

CHAPITRE III : ELABORATION DES MATERIAUX NON ORGANIQUES
A.-F. GOURGUES-LORENZON

Dans ce chapitre nous aborderons l’élaboration de l’ensemble des matériaux, sauf celle des polymères qui fera
l’objet du chapitre suivant. Après un rappel de quelques éléments historiques utiles, nous décrirons quelques
procédés de mise en œuvre des matériaux. Dans un deuxième temps, on abordera d’un point de vue quantitatif
deux « piliers » de l’élaboration, mais aussi des transformations en phase solide (et donc de l’obtention des
microstructures) : la thermodynamique et la cinétique appliquées aux matériaux, qui feront également l’objet
d’une séance de travaux dirigés (double chapitre V-VI).
1 QUELQUES GRANDES LIGNES DE L’HISTOIRE DES MATERIAUX
Les quelques dates rappelées ci-dessous montrent que l’évolution des techniques est étroitement liée à la
découverte et à la production de masse de nouveaux matériaux : le rail de chemin de fer est produit en masse par
le convertisseur Bessemer, les circuits intégrés font appel aux monocristaux, le béton que nous connaissons
aujourd’hui n’existerait pas sans le ciment Portland, etc. Toutes les familles de matériaux sont concernées par une
concurrence de plus en plus vive (qu’on pense à la concurrence entre béton, bois, verre et métal dans le bâtiment)
et une diversification croissante (il existe à ce jour plus de 3000 nuances d’aciers, dont la moitié n’existait pas il y
a cinq ans).

-8000 Briques en boue et argile ; apparition de la poterie : vaisselle en céramique (Proche-Orient)
-8000 Martelage du cuivre natif en Asie : débuts de la métallurgie
-5000 Mortier pour joints de briques en bitume ; travail de la laine (textile)
-4000 Bronze fondu (Orient) (vers -3500 en Egypte et -1800 en Europe)
-3500 Premières utilisations du plomb (conduites)
-3000 Objets en verre (-2500 : perfectionnement par les Egyptiens)
-2500 Débuts de la sidérurgie (Orient) (>1100°C)
-1700 Première apparition de l’acier (Hittites)
-1000 Mortier de chaux et chaux hydraulique
-300 Aciers dits « de Damas » obtenus par fusion
-250 Parchemin (Pergame)
-100 Papier (Chine) ; soufflage du verre (Phéniciens) ; béton (Romains)
e
5 s. Transformation du fer en acier (Celtes)
e
7 s. Premières porcelaines en Chine (cuisson : 1200 à 1300°C)
e
14 s. Haut-fourneau et première fonte liquide
e
15 s. « Cristallo » : verre très transparent (Venise)
1590 Verre flint au plomb, pour optique (microscopes, télescopes)
e
18 s. Premières porcelaines dures en Europe (gisements de kaolin)
1709 Première coulée de fonte au coke (Darby)
1738 Production du zinc métallique par distillation
1784 Four de puddlage (Cort) : décarburation de la fonte par brassage
1824 Ciment Portland (J. Aspin)
1839 Vulcanisation du caoutchouc (C. Goodyear)
1848 Béton armé (première poutre en 1867 par Monier)
1855 Conversion de la fonte en acier par procédé Bessemer : production en masse de l’acier
1856 Premier colorant de synthèse : l’aniline (Perkin)
1870 Première matière plastique artificielle : le celluloïd (Hyatt)
1883 Première cellule solaire au sélénium (C. Fritts)
1886 Commercialisation de l’aluminium par le procédé Héroult/Hall
1899 Première matière plastique de synthèse : la galalithe (W. Krische et A. Spitteler)
1905 Aciers inoxydables : début de la production industrielle et de la classification
1909 Métallurgie des poudres
1909 Bakélite : premier thermodurcissable de synthèse (L. Baekeland)
1911 Découverte de la supraconductivité dans le mercure à 4K (H.K. Onnes)
1916 Monocristaux de métaux (J. Czochralski)
1924 Pyrex (Corning)
1927 Plexiglas (O. Röhm) 24 Matériaux pour l’ingénieur
1929 Béton précontraint
1931 Caoutchouc synthétique (néoprène) (J. Nieuwland)
1937 Nylon (W. Carothers) et PVC
1947 Fonte à graphite sphéroïdal
1947 Invention du transistor au germanium (Bell : J. Bardeen, W.H. Brattain, W.B. Shockley)
1947 Céramiques piézoélectriques : aiguilles de phonographe en titanate de baryum
v. 1950 Multiplication des polymères synthétiques, composites
1951 La microscopie à champ ionique montre des atomes pour la première fois
1952 Verre flotté (Pilkington) : production de vitrages en continu
1953 Polyéthylène à haute densité (catalyse Ziegler)
1954 Première vitrocéramique (découverte accidentelle, Stookey)
1958 Premier circuit intégré (Texas instruments : J.S. Kilby)
v. 1960 Début des fibres optiques
1968 Affichage par cristaux liquides (RCA)
v. 1980 Béton hautes performances (exemple : ponts à très grande portée)
1985 Fullerènes (C ) 60
1991 Nanostructures
2000 Béton ultra-hautes performances
2 MISE EN ŒUVRE DES MATERIAUX

On cherche à obtenir la bonne composition chimique (d’une manière homogène) et la bonne forme de la pièce :
parfois dans un ordre (métallurgie primaire, secondaire, mise en forme), parfois dans l’autre (frittage de poudres
céramiques ou métalliques), parfois les deux en même temps (coulée et prise des bétons, obtention de SiC par
frittage réactif, métallurgie in situ des composites et des matériaux renforcés par dispersion d’oxydes (ODS)...).
Dans ce chapitre nous traiterons des matériaux inorganiques (métaux, alliages métalliques et céramiques), tandis
que le chapitre suivant traitera des matériaux organiques : polymères et élastomères.

2.1 PRODUCTION ET MISE EN ŒUVRE DES CERAMIQUES
Nous distinguerons brièvement quatre grandes familles de céramiques, allant des matériaux de grande diffusion,
de très loin les plus utilisés, vers les matériaux les plus « pointus », à forte valeur ajoutée.

2.1.1 Briques et terres cuites
Les matériaux pour briques, poteries, etc. contiennent trois principaux constituants :
• Une argile (par exemple la kaolinite Al O – 2SiO – 2H O), qui permet la mise en forme ; 2 3 2 2
• Un flux (généralement un feldspath), qui apporte les éléments sodium ou potassium et fluor nécessaires à la
cuisson ;
• Une charge (sable de quartz, ou « chamotte »), qui sert à limiter le retrait après cuisson.
L’obtention de matériaux à base de terres cuites (pour briques, tuiles, vaisselle, etc.) est relativement peu chère,
du fait que l’argile humide est hydroplastique : l’eau s’infiltre entre les feuillets d’argile (dont les faces sont
chargées électriquement) et lubrifie ainsi le mouvement des feuillets les uns par rapport aux autres, et donc la
déformation irréversible de la matière. On peut utiliser une technique de coulage en barbotine, où l’argile est
coulée à l’état très fluide, le long des parois d’un moule poreux, puis l’excédent est vidé et on obtient, après
séchage (l’eau part à travers le moule), une coque manipulable, par exemple une future assiette. On peut aussi
utiliser les techniques de mise en forme des polymères (moulage, extrusion) ou le modelage (exemple : le tour du
potier), avec une argile moins chargée en eau. Dans tous les cas, une fois séchée, la forme est manipulable et peut
être placée dans un four pour la cuisson.
La cuisson, vers 1000 à 1200°C, est l’étape la plus délicate. Sous l’effet de la chaleur, une phase vitreuse se
forme par réaction entre argile et flux (Na, K), elle fond et enrobe les autres constituants, assurant ainsi la
cohésion de l’ensemble. Après refroidissement, du fait du retrait, ces matériaux contiennent des microfissures et
des pores. Ces fissures sont colmatées en surface (et la pièce rendue étanche) par l’émaillage : une poudre de
verre est appliquée sur la surface de la pièce, fondue aux alentours de 800°C et remplit les porosités et
microfissures par capillarité. On peut aussi s’en servir à des fins décoratives.
Elaboration des matériaux non organiques 25
2.1.2 Verres
Le verre est produit par une méthode assez proche de celle utilisée pour la plupart des matériaux métalliques :
fusion des différents constituants, puis coulée et mise en forme par déformation ou moulage, ce qui permet des
prix de production assez bas. Le verre est essentiellement composé de silice SiO (Tableau 1) mais aussi de
2
fondants, qui contiennent des éléments (Na, K) permettant d’abaisser le point de fusion, ainsi que de verre
recyclé appelé calcin (typiquement 20% dans le verre plat, 50 à 90% dans le verre creux). Le prix des matières
premières est essentiellement